阿爾茲海默癥（Alzheimer’s disease, AD）是世界上最常見的年齡相關的神經退行性疾病之一，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）。因此許多研究認為Aβ 在腦中的過度積累是阿爾茲海默癥發病的罪魁禍首。其本質原因是Aβ的過度表達或代謝紊亂造成該蛋白在腦內的穩態失衡，使該蛋白大量聚集形成具有毒性的淀粉樣寡聚體和斑塊，從而引發細胞損傷和神經炎癥，最終導致神經細胞凋亡和認知障礙。熱休克蛋白作為一類天然分子伴侶，是維持體內蛋白穩態的重要組成部分，其疏水空腔可以與蛋白質相互作用，不僅能有效控制蛋白質的錯誤折疊與聚集，而且可以輔助蛋白質的折疊、轉運和清除，從而保證細胞的正常生理功能。
圖1：納米分子伴侶抑制Aβ聚集，降低Aβ細胞毒性，促進小膠質細胞介導Aβ清除，重塑Aβ穩態示意圖
近日，南開大學化學學院史林啟教授、生命科學學院馮喜增教授及中國醫學科學院放射醫學研究所黃帆副研究員合作，在國際知名學術期刊Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.201901844）上發表文章。該研究利用復合殼層膠束（MSPM）模擬熱休克蛋白的結構和功能，構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誘導的細胞毒性和神經炎癥。該納米分子伴侶的表面由塌縮的疏水微區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細胞膜的接觸，從而減少神經元的損傷和神經炎癥的發生，促進小膠質細胞對Aβ的吞噬，進而挽救轉基因AD小鼠的認知損傷，預防阿爾茲海默癥的發生（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結構結合，通過檢測體系的熒光強度可以監控Aβ的聚集過程。實驗結果表明，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合的蛋白含量進行分析。其結果表明納米分子伴侶對Aβ蛋白具有良好的選擇性結合能力。
圖3：納米分子伴侶降低Aβ的細胞毒性(a)，減少Aβ單體和寡聚體對神經細胞的黏附(b-e)，增強小膠質細胞對Aβ的吞噬(f-i)，降低神經炎癥因子的釋放(j)
接下來，研究人員考察了納米分子伴侶在降低Aβ細胞毒性，促進小膠質細胞清除，以及減少神經炎癥因子的釋放等方面的作用。實驗結果表明，納米分子伴侶通過捕獲和結合Aβ，顯著減少了Aβ在神經細胞膜上的粘附，進而降低了其細胞毒性（圖3a-e）。進一步實驗發現，與單純的Aβ相比，納米分子伴侶與Aβ結合形成的復合物更易被小膠質細胞吞噬，促進了Aβ的清除（圖3f-i）。同時，納米分子伴侶與Aβ結合后，顯著降低了神經炎癥因子（TNF-α）的產生，進而減少神經炎癥的發生（圖3j）。
圖4：納米分子伴侶保護轉基因AD小鼠的認知能力，降低腦內Aβ含量，抑制細胞凋亡和神經炎癥。a-b)新奇事物認知實驗（object recognition task, ORT）, c-f) 免疫熒光染色，g-h）western blot實驗
體內實驗的結果進一步證實了納米分子伴侶在體內的有效性。行為學實驗結果表明，納米分子伴侶挽救了APP/PS1轉基因AD模型小鼠的認知障礙，證明納米分子伴侶可以有效預防處于疾病早期階段的AD小鼠的認知損傷（圖4a-b）。腦組織免疫熒光染色和western blot的結果表明，納米分子伴侶顯著降低了小鼠腦內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細胞凋亡和神經炎癥的減少（圖4c-h）。以上體外/體內實驗的結果均表明，納米分子伴侶可以有效抑制Aβ的聚集，降低Aβ對神經細胞膜的黏附并減少其神經毒性，促進小膠質細胞對Aβ的清除，并且減輕神經細胞損傷和神經炎癥的發生，改善早期AD模型小鼠的認知障礙，有望為 為阿爾茲海默癥的早期預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化學學院楊惠茹博士，共同第一作者為南開大學生命科學學院李昕宇博士。南開大學化學學院史林啟教授，南開大學生命科學學院馮喜增教授和中國醫學科學院放射醫學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
