聚金屬氧酸鹽在阿爾茲海默癥治療中的新進(jìn)展

馬蒙蒙,曲曉剛

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所稀土資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,化學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)與工程學(xué)院,合肥 230026)

阿爾茲海默癥(AD)是一種以記憶和認(rèn)知障礙為特征的漸進(jìn)性神經(jīng)退行性疾病,影響著全球數(shù)千萬(wàn)人,給社會(huì)和患者家庭帶來(lái)了沉重的精神和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1～3].AD的重要病理學(xué)特征為神經(jīng)原纖維纏結(jié)和以β-淀粉樣蛋白(Aβ)為主要成分的老年斑[2,4～6].目前,越來(lái)越多的研究表明Aβ的聚集是導(dǎo)致神經(jīng)元丟失的上游因素,之后伴隨著神經(jīng)原纖維纏結(jié)的形成、 氧化損傷和炎癥反應(yīng)[7,8].因此,抑制Aβ的聚集是預(yù)防和治療AD的重要策略.

近年來(lái),無(wú)機(jī)藥物化學(xué)已發(fā)展成為一門新興、 獨(dú)立的交叉學(xué)科,引起科研工作者的極大興趣[9,10].無(wú)機(jī)金屬化合物因其結(jié)構(gòu)可控、 功能多樣的特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域[11].然而,無(wú)機(jī)金屬化合物在AD治療中的應(yīng)用卻鮮有報(bào)道.以鄰菲羅啉衍生物為配體的鉑化合物、 苯基喹啉為配體的銥化合物以及2-苯基吡啶為配體的銠化合物被首先應(yīng)用于AD治療[12～14].它們通過(guò)配位作用和非共價(jià)相互作用與Aβ結(jié)合,從而抑制Aβ的聚集和緩解Aβ引起的神經(jīng)毒性[13].雖然這些金屬配合物具有一定的抑制活性,但由于其體積小,不能提供足夠的空間位阻來(lái)抑制Aβ聚集,從而限制了其治療效果.因此,開(kāi)發(fā)一類高效的新型無(wú)機(jī)金屬化合物用于抑制Aβ聚集具有重要意義.

聚金屬氧酸鹽(POMs),亦稱為多金屬氧陰離子簇化合物,是由前過(guò)渡金屬陽(yáng)離子與氧原子橋連而形成的金屬氧簇化合物.POMs的基本結(jié)構(gòu)單元由金屬-氧形成的多面體組成[15,16].POMs主要分為L(zhǎng)indqvist,Silverton,Waugh,Anderson,Wells-Dawson,Keggin和Strandberg型7類結(jié)構(gòu)[17].與其它無(wú)機(jī)金屬化合物相比,POMs具有結(jié)構(gòu)多樣、 分子尺寸可調(diào)、 高穩(wěn)定、 優(yōu)異的氧化還原行為以及易于修飾和分離回收等特性,從而被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[18,19].POMs的抗病毒、 抗癌、 抗菌、 抗艾滋病和抗白血病活性已經(jīng)在眾多體內(nèi)體外研究中獲得了較大的進(jìn)展[20～22].然而,以POMs基功能化無(wú)機(jī)材料作為AD治療劑的研究卻鮮有報(bào)道.隨著對(duì)POMs與蛋白相互作用的深入了解,研究[23,24]發(fā)現(xiàn),帶有負(fù)電荷的POMs可以通過(guò)靜電相互作用與蛋白質(zhì)的正電區(qū)域結(jié)合,從而影響蛋白質(zhì)的物理化學(xué)特性.此外,與小分子無(wú)機(jī)金屬配合物相比,具有獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)(粒徑大小在1～3 nm范圍內(nèi))的POMs能更好地誘導(dǎo)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化.更重要的是,由于POMs的表面電荷分布易于調(diào)控,從而可實(shí)現(xiàn)POMs與目標(biāo)蛋白質(zhì)相互作用的有效調(diào)控.基于此,POMs所表現(xiàn)出的藥用特性將有望用于AD的預(yù)防和治療.然而,POMs在生物體內(nèi)的代謝和分布情況尚不清楚.此外,POMs還存在生物活性特異性差和毒副作用較大的缺點(diǎn),極大限制了POMs的臨床轉(zhuǎn)化和應(yīng)用.

本文主要從POMs對(duì)Aβ聚集的調(diào)控作用、 水解及光動(dòng)力治療等方面介紹其在AD治療中的最新研究進(jìn)展,為進(jìn)一步研究POMs抗AD的藥物活性提供了參考.

1 POMs作為抑制劑用于治療AD

鑒于POMs獨(dú)特的剛性籠狀結(jié)構(gòu)和尺寸,與富勒烯衍生物類似,一些POMs已經(jīng)被證實(shí)能夠抑制Aβ的聚集[23～25],這為發(fā)展新型、 廉價(jià)的無(wú)機(jī)藥物用于AD治療提供了新途徑.為此,需建立快速高通量篩選Aβ抑制劑的方法.Geng等[23]利用基于活細(xì)胞的Aβ-增強(qiáng)型熒光蛋白融合表達(dá)體系(Aβ-ECFP)篩選出一系列可抑制Aβ聚集的POMs.Aβ-ECFP篩選體系原理如下: 青色熒光蛋白從表達(dá)到折疊成具有熒光性質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)是一個(gè)緩慢過(guò)程,所以Aβ-ECFP篩選體系中蛋白的熒光易受Aβ形態(tài)的影響.Aβ錯(cuò)誤折疊和聚集會(huì)使青色熒光蛋白不能正確折疊成天然結(jié)構(gòu),從而無(wú)法發(fā)出熒光.而當(dāng)有化合物阻止Aβ聚集時(shí),青色熒光蛋白可實(shí)現(xiàn)正確折疊,熒光信號(hào)得以恢復(fù)[圖1(A)].篩選結(jié)果顯示,多種POMs能夠有效抑制Aβ聚集.抑制效率最好的是Wells-Dawson結(jié)構(gòu)的K8[P2CoW17O61],Keggin結(jié)構(gòu)的α-Na9H[SiW9O34]表現(xiàn)出中等的抑制效率,而Anderson結(jié)構(gòu)的Na5IMo6O24抑制效果最弱.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,POMs的抑制作用與POMs類型、 體積、 表面積及所帶電荷數(shù)量密切相關(guān).熒光競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合及酶消化等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,POMs可與Aβ帶正電荷的區(qū)域(組氨酸-組氨酸-谷氨酰胺-賴氨酸,HHQK)結(jié)合,表明POMs與Aβ的結(jié)合主要通過(guò)靜電相互作用.體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,POMs能有效地抑制Aβ聚集,同時(shí)降低Aβ誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性,對(duì)PC12細(xì)胞具有良好的保護(hù)作用.隨著對(duì)POMs研究的深入,一類含鉬元素的POMs(Mo-POMs)引起了關(guān)注.Mo-POMs具有毒副作用低、 易修飾、 合成簡(jiǎn)單及成本低廉等優(yōu)點(diǎn),已在抗腫瘤、 抗病毒和抗菌等方面取得了重要進(jìn)展.但是Mo-POMs作為Aβ抑制劑還處于初步研究階段.為此,Chen等[25]合成了3種新型的Mo-POMs,發(fā)現(xiàn)它們均能抑制Aβ纖維化,同時(shí)對(duì)于銅離子、 鋅離子誘導(dǎo)的Aβ聚集也有較好的抑制效果,其中表面負(fù)電荷越多、 疏水性越強(qiáng)的Mo-POMs抑制效果越好[圖1(B)].

Fig.2 Schematic representation of the high-throughput method for screening Aβ-aggregation inhibitors(A)[26] and the used for AD treatment(B)[27] (A) Copyright 2014,Springer Nature; (B) Copyright 2018,American Chemical Society.

Fig.3 Schematic illustration of the AuNPs@POMD-pep used for AD treatment[29]Copyright 2015,Wiley-VCH.

Fig.4 POM@P can effectively inhibit Aβ aggregation(A)[30],schematic illustration of the peptide-modified Mo-POMs(peptide@Mo-POMs) used for AD treatment(B)[31] (A) Copyright 2013,Wiley-VCH; (B) Copyright 2019,Wiley-VCH.

最近的研究表明,Aβ的聚集動(dòng)力學(xué)依賴于相互作用區(qū)域之間的競(jìng)爭(zhēng)[28～31].Aβ結(jié)構(gòu)中的C末端、 正電區(qū)域(HHQK)、 疏水區(qū)域(KLVFF)以及轉(zhuǎn)角區(qū)對(duì)其聚集過(guò)程起著關(guān)鍵作用[28].針對(duì)此問(wèn)題,Gao等[29]將POMs和LPFFD肽同時(shí)連接在金納米粒子表面(見(jiàn)圖3),組裝所得復(fù)合雜化材料可進(jìn)一步改善POMs的特異性識(shí)別能力.這是因?yàn)長(zhǎng)PFFD的特異性識(shí)別位點(diǎn)是Aβ中的疏水區(qū)域(LVFF),剛好與POMs的識(shí)別靶點(diǎn)(HHQK)緊鄰,使得復(fù)合雜化材料具有更強(qiáng)的識(shí)別能力.同時(shí),金納米粒子作為載體還能有效提高POMs穿透血腦屏障的效率.Li等[30]使用更簡(jiǎn)單的自組裝方法制備了多酸/肽雜化材料[圖4(A)].相比于單獨(dú)的Aβ15～20和POMs,該雜化納米粒子對(duì)Aβ聚集具有增強(qiáng)的靶向和抑制效果,實(shí)現(xiàn)了1+1>2的作用.此外,Liu等[31]也通過(guò)自組裝方法合成了一種新型的多肽-聚金屬氧酸鹽納米復(fù)合物(Peptide@Mo-POMs),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Peptide@Mo-POMs對(duì)于鋅離子誘導(dǎo)的Aβ聚集有較好的抑制效果,同時(shí)具有良好的穿透血腦屏障的能力[圖4(B)].

雖然POMs可以抑制Aβ的纖維化,但仍存在靶向性較差、 毒副作用大及體內(nèi)穩(wěn)定性低等問(wèn)題.而有機(jī)組分修飾的POMs不僅可提高其生物相容性和底物選擇性,還可改變POMs表面的電荷密度,增強(qiáng)其與目標(biāo)生物分子反應(yīng)的活性.Zhao等[32]設(shè)計(jì)了有機(jī)鉑取代的Keggin型結(jié)構(gòu)的POMs,并將其用于AD的活體研究(圖5).結(jié)果表明,POMs通過(guò)靜電作用與Aβ結(jié)合.此外,Pt(II)不僅通過(guò)靜電相互作用和p-p堆積穩(wěn)定Aβ單體,還通過(guò)配位作用與自由氨基結(jié)合.重要的是,有機(jī)鉑配體的平面構(gòu)象可以與Aβ聚集體結(jié)合,誘導(dǎo)Aβ聚集體的解離.這些相互作用顯著提高了POMs對(duì)Aβ的靶向抑制能力.體內(nèi)研究結(jié)果表明,有機(jī)鉑取代的POMs可通過(guò)減少腦部Aβ沉積,有效地改善AD小鼠的記憶功能.

Fig.5 Preparation of organic platinum-substituted POM(PtII-PW11)(A),energy minimized structures of PtII-PW11 with Aβ1—42 monomer(B) and Aβ1—42 fibril(C),in vivo evaluation of PtII-PW11 therapy(D—I)[32] Latencies for escape to platform in a spatial probe test(D),times crossing platform(E) and percentage of time spent(F) in target quadrant in a probe trial,representative swimming paths of mice with various treatments(G),immunofluorescence for Aβ1—42 depositions in the hippocampus(HIP) of WT mice,AD mice,AD mice treated with low dose(1.0 mg/mL) and high dose(1.5 mg/mL) PtII-PW11(H),percentage of senile plaques in the cortex and hippocampus(I).Copyright 2019,Wiley-VCH.

由于Aβ具有α-螺旋/β-鏈結(jié)構(gòu),對(duì)手性環(huán)境敏感,故Aβ鏈的取向和手性會(huì)強(qiáng)烈影響其聚集[33].因此,為了選擇性地靶向淀粉樣聚集體,手性偏好可能是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.受天然存在的立體選擇性和β-折疊結(jié)構(gòu)的啟發(fā),Gao等[34]合成了一系列D-和L-氨基酸修飾的POMs用于調(diào)控Aβ的聚集,使用的氨基酸主要包括帶有正電荷的氨基酸(D-或L-組氨酸)、 帶有負(fù)電荷的氨基酸(D-或L-谷氨酸)和疏水性較強(qiáng)的氨基酸(D-或L-亮氨酸,D-或L-苯丙氨酸)(見(jiàn)圖6).手性POMs可立體選擇性抑制Aβ聚集,其中,D-和L-苯丙氨酸修飾的POMs的抑制效果最強(qiáng).有趣的是,D-苯丙氨酸修飾的POMs比L-苯丙氨酸修飾的抑制作用強(qiáng)8倍,表明D-和L-苯丙氨酸修飾的POMs具有較高的對(duì)映選擇性.活體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,手性POMs能跨過(guò)血腦屏障,延長(zhǎng)AD轉(zhuǎn)基因模式動(dòng)物的壽命.

Fig.6 Chirality in different-length scales of configurational Ⅰ,conformational Ⅱ,phase Ⅲ,and object chirality Ⅳ(A),D/L-amino acid-modified POMs(B),the lowest average energy model of interaction between chiral POM and Aβ(C)[34]Copyright 2019,American Chemical Society.

Fig.7 Schematic illustration of POMs as a photosensitizer to inhibit the aggregation of Aβ upon ultraviolet(UV) light irradiation(A)[37] and rPOMDs@MSNs@copolymer as a multifunctional photothermal agent for treatment of AD(B)[38] (A) Copyright 2013,Royal Society of Chemistry; (B) Copyright 2018,Wiley-VCH.

2 POMs作為光治療試劑用于治療AD

POMs具有廣泛的吸收光譜和優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì),已被用于非侵入治療癌癥[35,36].受此啟發(fā),Li等[37]探究了POMs可否作為一種新型的光治療試劑用于非侵入調(diào)控Aβ的聚集,他們發(fā)現(xiàn)POMs在紫外光照射下可以產(chǎn)生活性氧(ROS),進(jìn)而氧化Aβ增加其表面的親水性,從而降低Aβ的聚集[圖7(A)].體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,POMs作為光氧化劑不僅可以有效地抑制Aβ單體的聚集,還可以降解毒性更大的寡聚體.此外,Ma等[38]設(shè)計(jì)了基于還原性POMs(rPOMs)的納米體系(rPOMs@MSNs@copolymer)用于光熱治療AD,如圖7(B)所示.在近紅外激光照射下,rPOMs@MSNs@copolymer會(huì)發(fā)生局部過(guò)熱,從而解聚之前形成的Aβ聚集體.同時(shí),釋放出來(lái)的rPOMs還可以抑制Aβ單體的聚集和清除細(xì)胞內(nèi)ROS.該研究為開(kāi)發(fā)POM多功能光熱試劑用于AD治療提供了新思路.與作為抑制劑相比,POMs作為光治療試劑的優(yōu)勢(shì)在于只有受光照的病變部位才會(huì)被治療,而其它組織不受影響,因此極大地提高了選擇性并降低了副作用.

3 功能化POMs作為水解劑用于水解Aβ

由于POMs作為抑制劑和光治療試劑在AD治療過(guò)程中改變的只是聚集與未聚集蛋白之間的比例,而Aβ的總量并沒(méi)有變化.同時(shí),隨著病情的加重,抑制劑和光治療試劑的使用劑量需要不斷增大,用以對(duì)抗新增的Aβ.而大劑量藥物的使用將會(huì)對(duì)患者造成嚴(yán)重的副作用,這是POMs作為抑制劑和光治療試劑在AD治療中的缺陷.因此,開(kāi)發(fā)能夠水解清除Aβ的無(wú)機(jī)藥物將從根本上阻止Aβ發(fā)生聚集.Gao等[39]通過(guò)對(duì)絲氨酸蛋白酶的催化機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析發(fā)現(xiàn),絲氨酸蛋白酶具有絲氨酸(親核攻擊)-組氨酸(電子轉(zhuǎn)移)-天冬氨酸(電子供體)催化三聯(lián)體.首先,絲氨酸上的羥基氧親核進(jìn)攻底物肽鍵中的羧基碳; 然后,組氨酸上的咪唑基團(tuán)用于輔助電子傳遞; 最后,天冬氨酸的側(cè)鏈用于穩(wěn)定過(guò)渡態(tài).受此啟發(fā),他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于POMs的蛋白水解酶用于水解Aβ,體系構(gòu)建如下: 在金納米粒子表面,首先通過(guò)靜電相互作用吸附POMs; 然后,通過(guò)Au—S鍵在金納米粒子表面修飾上N-Ac-Cys-His-Sar-His-Sar-His-Sar-His八肽[圖8(A)～(C)].在此體系中,POMs表面帶負(fù)電性的氧發(fā)揮絲氨酸的功能進(jìn)攻切割位點(diǎn)的羧基碳; 同時(shí),POMDs中氧的電負(fù)性高于絲氨酸中氧的電負(fù)性.因此,POMs親核進(jìn)攻肽鍵的能力更強(qiáng).八肽中的組氨酸起到電子傳遞的作用; POMs表面豐富的負(fù)電荷能夠穩(wěn)定過(guò)渡態(tài),起到天冬氨酸的作用.此外,金納米粒子有助于整個(gè)體系穿越血腦屏障.體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于POMs的納米酶不僅具有類絲氨酸蛋白酶樣活性,可以水解Aβ單體,還具有類超氧化物歧化酶樣活性,可以清除ROS.這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)和合成多功能納米酶提供了新方向.

Fig.8 Synthetic route of multifunctional nanozyme(AuNPs@POMD-8pep)(A),schematic representation of AuNPs@POMD-8pep as a multifunctional nanozyme to cure AD(B),mulliken charge distributions for the oxygen groups of POMD in the AuNPs@POMD(C)[39]Copyright 2016,Springer Nature.

Fig.9 Synthetic route(A) and the catalytic mechanism of CeONP@POMs(B)[40] Copyright 2016,Elsevier Ltd.

最近,Guan等[40]設(shè)計(jì)了一系列二氧化鈰/聚金屬氧酸鹽雜化納米粒子作為金屬基質(zhì)蛋白酶模擬物,此類型POMs包括Wells-Dawson(POMD),Keggin(POMK)和Anderson結(jié)構(gòu)(POMA)[圖9(A)和(B)],并系統(tǒng)比較了3種不同結(jié)構(gòu)的聚金屬氧酸鹽納米酶的活性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,CeONP@POMD的蛋白水解活性最高; CeONP@POMK的水解活性次之; 而CeONP@POMA的活性最低.為了更好地探索這些納米酶的水解性質(zhì),測(cè)量了其ζ電位.CeONP@POMD,CeONP@POMK和CeONP@POMA的ζ電位分別為-48.2,-34.7和-33.8 mV.此結(jié)果表明,酶活性除與POMs結(jié)構(gòu)類型相關(guān)外,表面電荷同樣影響其水解活性.需要指出的是,雖然CeONP@POMK與CeONP@POMA的ζ電位相似,但由于POMK中Mo原子的電負(fù)性比POMA中W原子的電負(fù)性高,導(dǎo)致其水解活性差別較大[41].此外,該納米酶的核心為氧化鈰納米粒子,所以還具有超氧化物歧化酶(SOD)活性.基于此,該金屬基質(zhì)蛋白酶的可能水解機(jī)理如下: Ce離子與近端酰胺鍵的羰基相互作用,導(dǎo)致其極化,使碳原子更易被水分子親核攻擊[42].反應(yīng)活性源于Ce的路易斯酸活性,POMs與蛋白質(zhì)通過(guò)靜電相互作用拉近了Ce離子與肽鍵間的距離.溶劑中水分子(外部輸送機(jī)制)或與金屬配位的水分子(內(nèi)部傳遞機(jī)制)在親核進(jìn)攻中起重要作用.SOD活性主要由Ce3+和Ce4+離子間的協(xié)同作用而產(chǎn)生.所設(shè)計(jì)的POMs納米酶可以水解Aβ單體,減少細(xì)胞內(nèi)的ROS.更重要的是,它可以穿越血腦屏障,調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞和保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞免受Aβ介導(dǎo)的細(xì)胞毒性的影響.因此,該研究將促進(jìn)多功能納米酶的設(shè)計(jì)和發(fā)展,擴(kuò)展其在治療Aβ介導(dǎo)的神經(jīng)毒性中的應(yīng)用.

4 總結(jié)與展望

隨著科技的發(fā)展和醫(yī)療設(shè)施的逐步完善,人類壽命逐漸延長(zhǎng),人口老齡化問(wèn)題日益突出,影響人類健康的阿爾茲海默癥(AD)也因此成為廣受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題.目前,POMs在抑制Aβ聚集、 水解Aβ及光動(dòng)力治療等方面取得了可觀的進(jìn)展,并成功在AD動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了其良好的治療效果.然而,給藥后POMs在體內(nèi)的分布和長(zhǎng)期毒性需深入系統(tǒng)研究.此外,POMs的有效遞送、 跨越血腦屏障效率和靶向性等問(wèn)題仍是亟待解決的挑戰(zhàn)性課題.