阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease, AD）是世界上最常见的年龄相关的神经退行性疾病之一，然而目前对该疾病并无有效的治疗方法。该疾病的一项显著的病理学特征是患者脑中由于β淀粉样蛋白（β-amyloid peptide, Aβ）聚集所形成的淀粉样斑块（又称老年斑）。因此许多研究认为Aβ 在脑中的过度积累是阿尔兹海默症发病的罪魁祸首。其本质原因是Aβ的过度表达或代谢紊乱造成该蛋白在脑内的稳态失衡，使该蛋白大量聚集形成具有毒性的淀粉样寡聚体和斑块，从而引发细胞损伤和神经炎症，最终导致神经细胞凋亡和认知障碍。热休克蛋白作为一类天然分子伴侣，是维持体内蛋白稳态的重要组成部分，其疏水空腔可以与蛋白质相互作用，不仅能有效控制蛋白质的错误折叠与聚集，而且可以辅助蛋白质的折叠、转运和清除，从而保证细胞的正常生理功能。
图1：纳米分子伴侣抑制Aβ聚集，降低Aβ细胞毒性，促进小胶质细胞介导Aβ清除，重塑Aβ稳态示意图
近日，南开大学化学学院史林启教授、生命科学学院冯喜增教授及中国医学科学院放射医学研究所黄帆副研究员合作，在国际知名学术期刊Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.201901844）上发表文章。该研究利用复合壳层胶束（MSPM）模拟热休克蛋白的结构和功能，构建新型纳米分子伴侣，可以有效抑制Aβ的聚集，加速Aβ的清除，减轻Aβ诱导的细胞毒性和神经炎症。该纳米分子伴侣的表面由塌缩的疏水微区与伸展的亲水聚合物链段组成，从而形成类似热休克蛋白的疏水空腔，可以选择性的捕获Aβ蛋白，抑制其聚集及并阻止其与神经细胞膜的接触，从而减少神经元的损伤和神经炎症的发生，促进小胶质细胞对Aβ的吞噬，进而挽救转基因AD小鼠的认知损伤，预防阿尔兹海默症的发生（图1）。
图2：a-c)纳米分子伴侣抑制Aβ的聚集，d-g)纳米分子伴侣对Aβ的选择性结合
研究人员首先研究了纳米分子伴侣对Aβ聚集的抑制效果以及其对Aβ的选择性结合能力。硫磺素T（ThT）可以特异性地与Aβ聚集所形成的β-sheet结构结合，通过检测体系的荧光强度可以监控Aβ的聚集过程。实验结果表明，加入纳米分子伴侣的体系的荧光强度显著降低，表明纳米分子伴侣可以有效抑制Aβ的聚集（图2a）。将纳米分子伴侣与Aβ共同孵育5天后，透射电镜结果显示纳米分子伴侣显著抑制了Aβ纤维的形成（图2c）。与三种不同蛋白混合孵育后，将纳米分子伴侣与游离蛋白分离，通过SDS-PAGE分别对游离蛋白含量及与纳米分子伴侣结合的蛋白含量进行分析。其结果表明纳米分子伴侣对Aβ蛋白具有良好的选择性结合能力。
图3：纳米分子伴侣降低Aβ的细胞毒性(a)，减少Aβ单体和寡聚体对神经细胞的黏附(b-e)，增强小胶质细胞对Aβ的吞噬(f-i)，降低神经炎症因子的释放(j)
接下来，研究人员考察了纳米分子伴侣在降低Aβ细胞毒性，促进小胶质细胞清除，以及减少神经炎症因子的释放等方面的作用。实验结果表明，纳米分子伴侣通过捕获和结合Aβ，显著减少了Aβ在神经细胞膜上的粘附，进而降低了其细胞毒性（图3a-e）。进一步实验发现，与单纯的Aβ相比，纳米分子伴侣与Aβ结合形成的复合物更易被小胶质细胞吞噬，促进了Aβ的清除（图3f-i）。同时，纳米分子伴侣与Aβ结合后，显著降低了神经炎症因子（TNF-α）的产生，进而减少神经炎症的发生（图3j）。
图4：纳米分子伴侣保护转基因AD小鼠的认知能力，降低脑内Aβ含量，抑制细胞凋亡和神经炎症。a-b)新奇事物认知实验（object recognition task, ORT）, c-f) 免疫荧光染色，g-h）western blot实验
体内实验的结果进一步证实了纳米分子伴侣在体内的有效性。行为学实验结果表明，纳米分子伴侣挽救了APP/PS1转基因AD模型小鼠的认知障碍，证明纳米分子伴侣可以有效预防处于疾病早期阶段的AD小鼠的认知损伤（图4a-b）。脑组织免疫荧光染色和western blot的结果表明，纳米分子伴侣显著降低了小鼠脑内Aβ的含量和淀粉样斑块的大小，cleaved-caspase 3和TNF-α含量的降低分别表明了神经细胞凋亡和神经炎症的减少（图4c-h）。以上体外/体内实验的结果均表明，纳米分子伴侣可以有效抑制Aβ的聚集，降低Aβ对神经细胞膜的黏附并减少其神经毒性，促进小胶质细胞对Aβ的清除，并且减轻神经细胞损伤和神经炎症的发生，改善早期AD模型小鼠的认知障碍，有望为 为阿尔兹海默症的早期预防和治疗提供了新的策略和思路。
论文的第一作者为南开大学化学学院杨惠茹博士，共同第一作者为南开大学生命科学学院李昕宇博士。南开大学化学学院史林启教授，南开大学生命科学学院冯喜增教授和中国医学科学院放射医学研究所黄帆副研究员为论文的共同通讯作者。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901844
