唐本忠院士《自然·通讯》：近红外-II区纳米诊疗系统实现阿尔茨海默病的精准双重靶向治疗

毒性淀粉样β(Aβ)斑块和有害炎症是阿尔茨海默病(AD)的两个主要症状。然而，由于缺乏双靶点治疗功能、血脑屏障(BBB)穿透能力差以及成像灵敏度低，精确的AD治疗目前还无法实现。在这里，香港中文大学(深圳)唐本忠、河南大学师冰洋/汪欣、南方医科大学大学张静合作设计了一种近红外-II区聚集诱导发光(AIE)纳米诊疗系统，用于精确的AD治疗。在1350纳米处的抗猝灭发光准确监测了体内BBB穿透和纳米诊疗系统与斑块的特异性结合。在活性氧种(ROS)的触发下，两种封装的治疗型AIE分子可控地释放，以激活自我增强的治疗程序。一种分子特异性抑制Aβ纤维的形成，降解Aβ纤维，并通过多竞争相互作用防止再聚集，这一点通过计算分析得到验证，进一步缓解炎症。另一种分子有效清除ROS和炎症，重塑大脑的氧化还原平衡，增强治疗效果，共同逆转神经毒性，并在女性AD小鼠模型中实现有效的行为和认知改善。该研究以题为“A one-two punch targeting reactive oxygen species and fibril for rescuing Alzheimer’s disease”的论文发表在《Nature Communications》上。

图1展示了一种针对阿尔茨海默病(AD)的近红外-II区纳米诊疗系统的设计和工作原理。该系统通过共组装策略制备了一种名为Ang-NCs的纳米复合物，这些纳米复合物能够在体内高效穿透血脑屏障(BBB)，并在AD病变区域特异性结合。在AD病变区域的高活性氧种(ROS)环境下，Ang-NCs能够可控地释放两种封装的治疗型AIE分子。一种分子(化合物3)特异性地抑制Aβ纤维的形成，通过多种竞争性相互作用降解Aβ纤维，并防止其再聚集，这一过程通过计算分析得到了验证，从而进一步缓解炎症。另一种分子(化合物6)有效地清除ROS和炎症，通过Ce(III)活性中心重塑大脑的氧化还原平衡，增强治疗效果。这些分子共同作用，逆转了神经毒性，实现了在女性AD小鼠模型中有效的行为和认知功能改善。这一研究为AD的精准治疗提供了新的策略，展示了近红外-II区纳米诊疗系统在神经退行性疾病治疗中的潜力。

图1.通过四步途径进行AD双靶点治疗的NIR-II脑靶向治疗系统示意图

【NC的制造和光学性能表征】

图2展示了两种治疗型近红外-II区聚集诱导发光(AIE)分子(化合物3和化合物6)的合成、结构特征以及它们在纳米复合物(NCs)中的光学性能。首先，通过核磁共振(NMR)和高分辨率质谱(HRMS)确认了两种AIE分子的中间体结构。接着，通过分子轨道理论分析，揭示了化合物3在基态(S0)时最低未占据分子轨道(LUMO)主要分布在核心区域，而最高占据分子轨道(HOMO)则在整个共轭骨架上分散，这表明了明显的供体-受体(D-A)相互作用和从D/π-桥到BBTD核心的分子内电荷转移效应，这些特性有助于NIR-II区的吸收和发射。此外，图2还展示了两种AIE分子在溶液中的聚集诱导发光(PL)特性，证实了它们作为典型的AIE分子。为了实现长期的体内循环、良好的亲水性和BBB穿透能力，这两种AIE分子通过ROS响应的硫醇酮(TK)模板与血管生成素-2(Ang-2)修饰共组装成纳米复合物。所得的Ang-NCs显示出无定形形态，平均尺寸约为153.4纳米。这些纳米复合物在1350纳米处的发射特性表明，它们在AD领域具有最高的灵敏度，能够有效地监测穿越BBB并与Aβ斑块结合的信号。这些结果为后续的体内成像和治疗研究奠定了基础。

图2. 两种AIE发光剂(AIEgens)和NCs的光物理性质表征

【抗氧化、原纤维分解和抑制原纤维生成】

图3展示了纳米复合物(NCs)在抗炎、纤维解聚和抑制纤维生成方面的双重靶向治疗功能。首先，通过使用过氧化氢(H₂O₂)模拟AD区域高炎症环境，研究了NCs在这种环境下的可控释放特性。结果表明，NCs在H₂O₂的存在下能够释放出封装的AIE分子，这些分子包括具有抗氧化能力的化合物6和能够特异性抑制Aβ纤维生成的化合物3。化合物6通过其Ce(III)活性中心表现出显著的抗氧化能力，能够有效地清除ROS，并通过类过氧化物酶(POD)活性显著降低由Fe₃O₄纳米颗粒产生的自由基。此外，NCs不仅能够抑制Aβ单体向纤维的转化，还能降解已形成的Aβ纤维，将其分解为无结构的碎片，并阻止碎片的再聚集。这些发现通过透射电子显微镜(TEM)观察和动态光散射(DLS)测量得到了验证。这些结果表明，NCs在AD治疗中具有显著的抗炎和抗纤维生成的双重作用，为AD的治疗提供了一种新的策略。

图3.抗氧化、选择性抑制Aβ原纤维的形成、Aβ原纤维降解和NCs的再聚集抑制

【基于计算的Aβ降解机制探索】

图4通过分子动力学(MD)模拟和量子力学计算，详细探讨了化合物3与Aβ蛋白之间的相互作用机制。研究首先利用MD模拟观察了化合物3在Aβ42蛋白表面的结合情况，发现3通过与Aβ蛋白的16个活性位点残基形成频繁的相互作用。这些相互作用主要通过范德华力和氢键(特别是与V318和V414残基的氢键)以及部分负电荷的烷基噻吩与H100和H37残基的π-π堆积相互作用。通过分子力学广义Born表面面积(MM/GBSA)计算，得到了化合物3与Aβ蛋白结合的自由能为-35.8 kcal/mol，而通过高精度量子力学计算得到的结合自由能为-8.5 kcal/mol，这些结果验证了化合物3与Aβ蛋白结合的紧密性。此外，通过对比化合物3和6对Aβ纤维的降解能力，证实了化合物3在Aβ纤维降解中的主要作用。这些发现为理解NCs如何通过分子层面的相互作用来抑制Aβ纤维的形成和降解提供了深入的见解，并为开发针对AD的新型治疗策略提供了重要的理论基础。

图4. 化合物3与Aβ蛋白结合的MD结果

【体外协同疗法】

图5展示了纳米复合物(Ang-NCs)在体外对细胞的神经保护效果。首先，通过细胞活力测试，研究者评估了Ang-NCs对不同细胞系(包括SH-SY5Y、PC12、BV2、Neuro-2a和HT-22细胞)的毒性，结果显示Ang-NCs在测试浓度范围内对这些细胞没有显著毒性。接着，利用共聚焦显微镜观察了Ang-NCs在PC12细胞中的摄取情况，并在96孔板中定量分析了摄取量，结果表明Ang-NCs的摄取与未修饰的NCs相当。此外，通过Transwell模型检测了NCs和Ang-NCs在PC12和HT-22细胞中的体外BBB穿透能力，发现Ang-NCs由于Ang-2修饰而显示出增强的BBB穿透性。为了评估Ang-NCs的双重靶向治疗效果，研究者观察了Ang-NCs对PC12细胞周围Aβ纤维的降解能力，并通过共聚焦显微镜观察到Ang-NCs显著降低了ThT染色的绿色荧光，证实了其降解Aβ纤维的能力。在抗氧化功能评估方面，Ang-NCs通过降低细胞内ROS水平、减轻线粒体超氧化物产生和维持线粒体膜电位，显示出强大的抗氧化能力。这些结果表明Ang-NCs在体外具有显著的神经保护效果，能够通过清除过量ROS、抑制炎症以及降解Aβ纤维来保护神经元免受损伤。

图5. Ang-NCs的体外神经保护作用雌性APP/PS1(AD)小鼠Ang-NCs的体内治疗诊断

【体内协同治疗对AD小鼠的影响】

图6展示了Ang-NCs在体内对阿尔茨海默病(AD)小鼠模型的治疗效果。首先，研究者通过生物相容性评估，包括溶血试验和药代动力学测试，确认了Ang-NCs具有良好的安全性和较长的体内循环时间。接着，利用近红外-II区成像技术监测了Ang-NCs在AD小鼠大脑中的穿透和分布情况，发现Ang-NCs在大脑中的荧光强度显著高于未修饰的NCs，表明Ang-NCs能够高效穿透血脑屏障并与Aβ斑块特异性结合。此外，研究者还评估了Ang-NCs对AD小鼠脑内活性氧种(ROS)水平的影响，结果显示Ang-NCs能够有效降低由Aβ斑块和炎症引起的ROS水平。在AD小鼠的大脑切片中，Ang-NCs显著减少了Aβ斑块的荧光信号，并通过免疫荧光染色观察到Aβ斑块的降解。同时，Ang-NCs治疗还降低了炎症标志物TNF-α、IL-1β的水平，并提高了抗氧化酶GPX4的表达。在行为学测试中，Ang-NCs治疗显著改善了AD小鼠的筑巢能力、空间学习和记忆能力，以及新物体识别能力。这些结果表明Ang-NCs在体内具有显著的治疗效果，能够通过双重靶向策略有效地逆转AD小鼠的神经毒性和认知功能障碍。

图6. 雌性APP/PS1(AD)小鼠Ang-NCs的体内治疗诊断

【小结】

该研究成功设计并制备了一种针对阿尔茨海默病(AD)的近红外-II区聚集诱导发光(AIE)纳米诊疗系统。这一系统通过精巧的分子设计和共组装策略，解决了AD治疗领域长期存在的挑战，包括血脑屏障(BBB)穿透、高灵敏度成像和双重靶向治疗功能。研究中，通过Ang-2修饰的纳米复合物(Ang-NCs)能够在体内高效穿透BBB，并在AD病变区域特异性结合，触发释放两种封装的治疗型AIE分子。这些分子一方面特异性抑制Aβ纤维的形成和降解Aβ纤维，另一方面有效清除与炎症相关的活性氧种(ROS)，重塑大脑的氧化还原平衡，从而逆转神经毒性，实现有效的行为和认知功能改善。这一研究成果不仅为AD提供了一种新的治疗策略，而且为其他神经退行性疾病的可视化纳米诊疗提供了新的思路。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-44737-x