郭东升课题组：大环两亲共组装体有效抑制Aβ蛋白纤维化，治疗阿尔兹海默症再添新思路

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南开大学郭东升教授课题组和张涛教授课题组合作，发展了环糊精和杯芳烃的大环两亲共组装体对Aβ蛋白展现出了超强的键合能力，能够完全抑制其纤维化，有望作为阿尔兹海默症的潜在治疗试剂。
       阿尔兹海默症是最常见的痴呆类型，大约占所有病例的60%-70%。近年来，阿尔兹海默症的发病率急剧提高，严重影响了人们的生活质量。淀粉样(Aβ)蛋白的纤维化被认为是形成阿尔兹海默症的过程中重要的一个环节。Aβ蛋白的纤维化会导致细胞内活性氧水平的提高，诱导细胞凋亡，最终导致神经元的丢失。因此，抑制Aβ蛋白纤维化，解聚Aβ纤维，促进Aβ蛋白的清除以保持Aβ蛋白的代谢平衡被认为是预防和治疗阿尔兹海默症的有效方法。近年来，针对Aβ纤维化设计药物的策略占据了阿尔兹海默症药物开发的主导地位。目前，已经有很多Aβ蛋白纤维化抑制剂被报道，包括天然小分子、人工受体、多肽和纳米粒子等。
       抑制剂对Aβ蛋白的识别是抗Aβ治疗的关键要素之一。由于多肽、蛋白等生物大分子具有位点复杂，构象不固定等特点，人工受体想要对它们实现选择性的强键合是十分困难的。抑制剂如果与Aβ蛋白的键合不够强，就只能在动力学上延缓而不能在热力学上抑制Aβ的纤维化。如果抑制剂的选择性不够好，就有可能被蛋白等其他生物大分子干扰。此外，一个好的抑制剂还应该能够解聚已经形成的Aβ纤维；促进Aβ蛋白的清除；降低毒性最大的Aβ寡聚体的含量，即抑制Aβ寡聚体的生成，并且不能将纤维解聚成寡聚体。
       为了克服上述挑战，南开大学郭东升教授课题组和张涛教授课题组合作，发展了环糊精（第二代超分子主体）和杯芳烃（第三代超分子主体）共组装体作为阿尔兹海默症的潜在治疗试剂(图1)。

图1.环糊精和杯芳烃共组装体治疗阿尔兹海默症示意图。

       该工作中所用的两亲环糊精(CD)能够特异性地络合芳香类的氨基酸，如酪氨酸和苯丙氨酸；胍基修饰的两亲杯芳烃(GCA)能够特异性络合带负电的氨基酸，如谷氨酸和天冬氨酸。这四种氨基酸都是Aβ蛋白所富含的。借助杂多价识别策略，大环两亲共组装体(GCA-CD)对Aβ蛋白展现出了超强的键合能力((3.29 ± 0.53) x1013 M−1)。而GCA-CD对白蛋白、胰蛋白酶、泛素、β半乳糖苷酶等常见蛋白的键合远弱于Aβ蛋白(键合常数小至少6个数量级)，并且即使络合也不影响蛋白的正常功能。得益于超强的键合，GCA-CD能够完全抑制Aβ蛋白的纤维化，并迅速、彻底地将已经聚集形成的纤维解聚；对于毒性最大的寡聚体，GCA-CD也能够抑制其形成，并且不仅不会将纤维解聚成寡聚体，反而能解聚已经形成的寡聚体(图2)。

图2. (a)荧光竞争滴定方法测定GCA-CD对Aβ蛋白的键合常数。(b, c)荧光方法监测不同浓度的GCA-CD对Aβ纤维化的抑制和对Aβ纤维的解聚效果。(d, e)透射电子显微镜成像验证不同浓度的GCA-CD对Aβ纤维化的抑制和对Aβ纤维的解聚效果。(f, g)斑点杂交方法测定不同浓度GCA-CD对Aβ寡聚体形成的抑制作用和已经形成的寡聚体的解聚作用。

        细胞实验表明，GCA-CD有效缓解了由Aβ纤维引起的细胞损伤，并促进了小胶质细胞对Aβ蛋白的摄取，有利于Aβ蛋白的清除。通过鼻腔给药，GCA-CD成功降低了阿尔兹海默症模型(5xFAD)小鼠脑部海马区和内侧前额叶的Aβ斑块、可溶性Aβ蛋白、不可溶性Aβ蛋白和Aβ寡聚体的含量，并有效缓解了5xFAD小鼠的认知障碍(图3)。

图3.行为学实验验证GCA-CD对5xFAD小鼠的认知障碍的缓解。

        杂多价识别为实现生物大分子的选择性强键合提供了新的策略，大环两亲共组装体为阿尔兹海默症的防治提供了新的材料。此外，由于共组装体的组装单元容易替换，单元间的比例也容易调节，大环两亲共组装的杂多价识别策略也为其他淀粉样变病的预防和治疗提供了新的思路。该工作以Research Article的形式发表在CCS Chemistry，已在官网“Just Published”栏目上线。
       文章详情：Coassembly of Macrocyclic Amphiphiles for Anti-β-Amyloid Therapy of Alzheimer’s Disease
Yu-Chen Pan†, Hui Wang†, Xinxin Xu†, Han-Wen Tian, Hong Zhao, Xin-Yue Hu, Yu Zhao, Yang Liu, Guihua Ding, Qingbin Meng, Bart Jan Ravoo, Tao Zhang*, and Dong-Sheng Guo*
       Cite this: CCS Chem. 2020, 2, 2485–2497
      文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000561


       文章来源：CCSChemistry
         郭东升，博士，南开大学化学学院教授、博导。2001年获南开大学学士学位，2006年获南开大学博士学位，导师刘育教授。2006年留校任教，历任讲师、副教授、教授。主要从事生物医药功能导向的杯芳烃超分子化学研究工作。在设计合成新型水溶性杯芳烃衍生物的基础上，着重考察其分子识别与组装等基础理化性质，进而将其应用到生物医药领域，包括生物传感、调节蛋白结构/活性、跨膜转运和超分子光诊疗等，从而为肿瘤和阿尔兹海默症等系列重大疾病的诊断和治疗提供新的解决思路。目前已在Nature Chem.、Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.等刊物上发表论文90余篇，累计引用3500余次。在国内、外学术交流会议上做学术报告20余次。2013年获国家优秀青年科学基金资助，入选南开大学百名青年学科带头人培养计划；2014年入选天津市青年拔尖人才支持计划，天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才；2018年入选天津市创新人才推进计划中青年科技创新领军人才；2015年获天津市自然科学一等奖(第二完成人)。目前担任《中国化学快报》青年编委，Frontiers in Chemistry》编委。
         张涛,男，1982和88年获浙江大学学士（固体力学）、硕士（计算力学），1997年获英国伯明翰大学博士（生理学）。现为南开大学教授，博士生导师 （动物与发育生物学系主任）。曾在英国曼彻斯特大学、日本理化学研究院脑研究所和英国伦敦SBU大学从事博士后、研究员和高级研究员工作。 回国以来已经完成多项国家级基金和省部级科学基金，目前主持两项国家级基金和一项天津市基础研究重点项目。在国内外学术刊物上发表论文壹佰余篇。组建了以硕士和博士生为主体的研究队伍。