阿爾茲海默癥（Alzheimer’s disease, AD）是世界上最常見的年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病之一，然而目前對該疾病并無有效的治療方法。該疾病的一項顯著的病理學(xué)特征是患者腦中由于β淀粉樣蛋白（β-amyloid peptide, Aβ）聚集所形成的淀粉樣斑塊（又稱老年斑）。因此許多研究認(rèn)為Aβ 在腦中的過度積累是阿爾茲海默癥發(fā)病的罪魁禍?zhǔn)住Ｆ浔举|(zhì)原因是Aβ的過度表達(dá)或代謝紊亂造成該蛋白在腦內(nèi)的穩(wěn)態(tài)失衡，使該蛋白大量聚集形成具有毒性的淀粉樣寡聚體和斑塊，從而引發(fā)細(xì)胞損傷和神經(jīng)炎癥，最終導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡和認(rèn)知障礙。熱休克蛋白作為一類天然分子伴侶，是維持體內(nèi)蛋白穩(wěn)態(tài)的重要組成部分，其疏水空腔可以與蛋白質(zhì)相互作用，不僅能有效控制蛋白質(zhì)的錯誤折疊與聚集，而且可以輔助蛋白質(zhì)的折疊、轉(zhuǎn)運和清除，從而保證細(xì)胞的正常生理功能。
圖1：納米分子伴侶抑制Aβ聚集，降低Aβ細(xì)胞毒性，促進小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)Aβ清除，重塑Aβ穩(wěn)態(tài)示意圖
近日，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院史林啟教授、生命科學(xué)學(xué)院馮喜增教授及中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所黃帆副研究員合作，在國際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.201901844）上發(fā)表文章。該研究利用復(fù)合殼層膠束（MSPM）模擬熱休克蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，構(gòu)建新型納米分子伴侶，可以有效抑制Aβ的聚集，加速Aβ的清除，減輕Aβ誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性和神經(jīng)炎癥。該納米分子伴侶的表面由塌縮的疏水微區(qū)與伸展的親水聚合物鏈段組成，從而形成類似熱休克蛋白的疏水空腔，可以選擇性的捕獲Aβ蛋白，抑制其聚集及并阻止其與神經(jīng)細(xì)胞膜的接觸，從而減少神經(jīng)元的損傷和神經(jīng)炎癥的發(fā)生，促進小膠質(zhì)細(xì)胞對Aβ的吞噬，進而挽救轉(zhuǎn)基因AD小鼠的認(rèn)知損傷，預(yù)防阿爾茲海默癥的發(fā)生（圖1）。
圖2：a-c)納米分子伴侶抑制Aβ的聚集，d-g)納米分子伴侶對Aβ的選擇性結(jié)合
研究人員首先研究了納米分子伴侶對Aβ聚集的抑制效果以及其對Aβ的選擇性結(jié)合能力。硫磺素T（ThT）可以特異性地與Aβ聚集所形成的β-sheet結(jié)構(gòu)結(jié)合，通過檢測體系的熒光強度可以監(jiān)控Aβ的聚集過程。實驗結(jié)果表明，加入納米分子伴侶的體系的熒光強度顯著降低，表明納米分子伴侶可以有效抑制Aβ的聚集（圖2a）。將納米分子伴侶與Aβ共同孵育5天后，透射電鏡結(jié)果顯示納米分子伴侶顯著抑制了Aβ纖維的形成（圖2c）。與三種不同蛋白混合孵育后，將納米分子伴侶與游離蛋白分離，通過SDS-PAGE分別對游離蛋白含量及與納米分子伴侶結(jié)合的蛋白含量進行分析。其結(jié)果表明納米分子伴侶對Aβ蛋白具有良好的選擇性結(jié)合能力。
圖3：納米分子伴侶降低Aβ的細(xì)胞毒性(a)，減少Aβ單體和寡聚體對神經(jīng)細(xì)胞的黏附(b-e)，增強小膠質(zhì)細(xì)胞對Aβ的吞噬(f-i)，降低神經(jīng)炎癥因子的釋放(j)
接下來，研究人員考察了納米分子伴侶在降低Aβ細(xì)胞毒性，促進小膠質(zhì)細(xì)胞清除，以及減少神經(jīng)炎癥因子的釋放等方面的作用。實驗結(jié)果表明，納米分子伴侶通過捕獲和結(jié)合Aβ，顯著減少了Aβ在神經(jīng)細(xì)胞膜上的粘附，進而降低了其細(xì)胞毒性（圖3a-e）。進一步實驗發(fā)現(xiàn)，與單純的Aβ相比，納米分子伴侶與Aβ結(jié)合形成的復(fù)合物更易被小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬，促進了Aβ的清除（圖3f-i）。同時，納米分子伴侶與Aβ結(jié)合后，顯著降低了神經(jīng)炎癥因子（TNF-α）的產(chǎn)生，進而減少神經(jīng)炎癥的發(fā)生（圖3j）。
圖4：納米分子伴侶保護轉(zhuǎn)基因AD小鼠的認(rèn)知能力，降低腦內(nèi)Aβ含量，抑制細(xì)胞凋亡和神經(jīng)炎癥。a-b)新奇事物認(rèn)知實驗（object recognition task, ORT）, c-f) 免疫熒光染色，g-h）western blot實驗
體內(nèi)實驗的結(jié)果進一步證實了納米分子伴侶在體內(nèi)的有效性。行為學(xué)實驗結(jié)果表明，納米分子伴侶挽救了APP/PS1轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠的認(rèn)知障礙，證明納米分子伴侶可以有效預(yù)防處于疾病早期階段的AD小鼠的認(rèn)知損傷（圖4a-b）。腦組織免疫熒光染色和western blot的結(jié)果表明，納米分子伴侶顯著降低了小鼠腦內(nèi)Aβ的含量和淀粉樣斑塊的大小，cleaved-caspase 3和TNF-α含量的降低分別表明了神經(jīng)細(xì)胞凋亡和神經(jīng)炎癥的減少（圖4c-h）。以上體外/體內(nèi)實驗的結(jié)果均表明，納米分子伴侶可以有效抑制Aβ的聚集，降低Aβ對神經(jīng)細(xì)胞膜的黏附并減少其神經(jīng)毒性，促進小膠質(zhì)細(xì)胞對Aβ的清除，并且減輕神經(jīng)細(xì)胞損傷和神經(jīng)炎癥的發(fā)生，改善早期AD模型小鼠的認(rèn)知障礙，有望為 為阿爾茲海默癥的早期預(yù)防和治療提供了新的策略和思路。
論文的第一作者為南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院楊惠茹博士，共同第一作者為南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李昕宇博士。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院史林啟教授，南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院馮喜增教授和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所黃帆副研究員為論文的共同通訊作者。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901844
