作者:倪伟波 来源:中国科学报 发布时间:2021/10/15 18:26:49
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新型纳米药物有望防治阿尔茨海默病

 

 

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)是以认知功能下降为特征的一种常见的神经退行性疾病。作为重大公共卫生问题,阿尔茨海默病正在悄然影响着全球的每一个家庭。

据国际阿尔茨海默病协会近日发布的《2021年世界阿尔茨海默病报告》显示,全世界有5500多万人患有认知症。随着每天的增长,这一数字将变得更加惊人,预计到2030年将达到7800万。

遗憾的是,面对数字不断增长的发病人群,科学家对这种复杂疾病的病因仍所知甚少,针对该疾病的预防和治疗也收效甚微。

近日,来自天津大学和天津医科大学总医院的科研人员研发了一种可高效穿过血脑屏障的抗氧化多靶点纳米药物,为击败“记忆杀手”带来了希望。相关研究成果在线发表于The Innovation

以大脑内氧化应激为突破

阿尔茨海默病的发病机制非常复杂,研发有效的治疗药物目前依然是该疾病防治的难点。虽然已经有一些药物对症治疗阿尔茨海默病,例如通过抑制乙酰胆碱水解、清除Aβ沉积或者阻止神经纤维缠结聚集,但是这些药物在改善该疾病症状上非常有限,且临床预后不佳。

因此,科研团队将目光聚焦到更深层更基础的阿尔茨海默病发病机制。“结合近年来的研究,我们注意到氧化应激在阿尔茨海默病病程的发生发展中处于关键地位。”天津大学生命科学学院纳米生物医学研究所所长常津教授向《中国科学报》表示。

一方面,大脑活动对氧气的需求大,线粒体在耗氧供能过程中会产生大量活性氧自由基,而阿尔茨海默病脑内的线粒体功能失调会导致自由基大量积累,产生氧化应激,引起脂质过氧化和DNA损伤;而机体自身的抗氧化酶含量会随阿尔茨海默病进展降低。另一方面,阿尔茨海默病脑内逐渐积累的Aβ以及失调的金属离子等病理机制都会加重氧化应激。

换句话说,在阿尔茨海默病发病早期的患者脑内即可观察到氧化损伤标志物的出现,且随着病情加重含量逐渐升高,这表明氧化应激是阿尔茨海默病的早期事件,并随着该疾病病程的发展而逐渐恶化。

“氧化应激可与其它发病机制相互作用并贯穿病程始终,最终导致学习和记忆能力的下降。因此,我们选择对抗氧化应激作为突破口,进行高效抗氧化剂的开发研究。”常津说。

高效穿越血脑屏障

由于阿尔茨海默病发病机制比较复杂且相互影响,又涉及多种通路,单一靶点的药物治疗忽略了机制间的相互作用,强制激活或抑制某一靶点又可能会带来副作用,很难有效控制阿尔茨海默病的进展。

而抗氧化剂在对抗氧化应激的同时会对其他相关发病机制产生积极地影响,且作用效果相对温和,具有提高疗效、减轻副作用的优点。因此,抗氧化介导的多靶点纳米药物研发便成为科研人员的首选。

然而,“已有的抗氧化药物在对抗阿尔茨海默病上面临的最大难题在于无法穿过血脑屏障进入大脑。”常津告诉记者。

血脑屏障是血液系统与脑组织之间存在的天然屏障,在保护中枢神经系统免受外界损害的同时限制了大多数药物的入脑转运,包括已有的抗氧化药物在内的几乎98%的药物分子都难以穿过血脑屏障。另外,为数不多的可以入脑的药物由于缺乏靶向性,不能高效聚集在AD的脑病变部位,例如海马体,无法在病变部位达到有效作用浓度,从而导致疗效不佳。

因此,研发一种可高效穿过血脑屏障的抗氧化多靶点纳米药物,根据不同程度差异化的氧化应激水平调节给药策略,才有可能实现阿尔茨海默病的预防与治疗。

基于这样的思路,经过几年的艰苦探索,常津领衔的天津大学研究团队联合天津医科大学总医院研究团队终于构建了一种可高效穿过血脑屏障的抗氧化多靶点纳米药物PTCN。

实验验证“捷报”连连

为了验证新型纳米药物PTCN的具体效果,研究团队展开了一系列的实验。

研究团队首先通过体内外实验证明了PTCN具有两大功能。一是小鼠脑微血管内皮细胞体外实验证实,转铁蛋白介导的转胞吞途径在PTCN穿过血脑屏障中起到关键作用,同时生物电镜等技术证实PTCN在大脑海马区有效富集。二是体内外特异性荧光成像证明,刚果红可引导PTCN与淀粉样蛋白聚集体特异性结合,发挥普鲁士蓝纳米颗粒的抗氧化作用,有效清除活性氧。

然后,研究团队通过细胞实验证实PTCN具有较低的细胞毒性,而且PTCN预处理和后处理均能显著降低氧化应激并提高细胞存活率,发挥抗氧化应激和神经保护作用。

在小鼠体内研究方面,研究团队根据不同病程的氧化应激水平设计梯度给药策略,针对早期和晚期分别进行预防和治疗实验。行为学和脑核磁成像结果显示,PTCN可有效改善阿尔茨海默病模型小鼠的认知障碍并抑制大脑海马区萎缩。

最后,蛋白质免疫印迹结果显示,PTCN在阿尔茨海默病全程均可改善氧化应激、线粒体功能障碍和突触损伤。在早期,PTCN会显著抑制炎症并轻度抑制神经元凋亡,而在晚期,PTCN会更显著的抑制神经元凋亡。

“这是一种基于传统生物材料的新组合药物,具有良好的生物安全性。”常津指出,通过PTCN梯度给药策略能实现阿尔茨海默病的早期预防和晚期治疗,有望发展成为临床个性化药物,同时具有防治其他氧化应激相关疾病的潜力,例如帕金森症、缺血性脑中风、渐冻症等。

PTCN预防和治疗阿尔茨海默病示意图      (常津供图)

PTCN的表征及其两大性能检测    (常津供图)

体内预防和治疗实验的行为学和海马体积检测  (常津供图)

 

向临床应用努力

从2019年中旬开展以6月龄APP/PS1转基因小鼠为动物模型的治疗性实验开始,到2021年终于做出成果,常津及团队成员用了3年时间终于“孕育”出PTCN。

做出这项成果并不容易。2019年12月初,研究团队购入大批量APP/PS1小鼠准备开始进行动物水平的预防性实验,按照实验计划,需要对低月龄小鼠连续给药3个月。不幸的是,在2020年1月份新冠疫情暴发,“那时候我们刚开始给药不到一个月,根据疫情防控要求,非必要不出行、学生暂时不能返校,这应该是我们遇到的最困难的处境。”提及研究中的往事,天津医科大学总医院医学影像科助理研究员窦妍仍感到历历在目。

一方面无法合成所需的纳米药物,另一方面无法进入动物饲养单位进行给药。直到2020年6月,学生才顺利返校,而此时小鼠周龄已不符合实验要求,只能再次重新购买小鼠,重新开展实验。

“我们在课题进展的各个环节都遇到过一些或大或小的难题,感谢团队成员齐心协力,共渡难关,才有了今天的成绩。”常津很感谢自己研究团队和科研搭档的倾情付出。

应用于临床是此项研究的最终目标,不过前期还有很多的基础工作要做。“我们目前仅从氧化应激对其他发病机制的宏观作用结果进行了评估,而对于通过何种途径调节其它机制缺乏更详尽的分子水平探究。接下来,我们将对抗氧化多靶点纳米药物在小鼠体内的代谢分布、对阿尔茨海默病作用机制通路以及临床转化开展深入研究。”常津最后表示。

PTCN研究团队成员合影      (常津供图)

相关论文信息:DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100160

 
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