老年痴呆和“霾”有关?一文了解大脑门户如何被打开
R&D Systems · 2017/02/22
BBC 说“英国每年死于空气污染的人数大约是50 000 人”。而 Maher 教授证明空气污染中的磁性纳米颗粒,可以进入人的大脑。她引用其他证据表明,这些颗粒可能和老年痴呆症 (AD) 相关。

科研总是充满惊奇。有个关于「脑子进灰了」的研究曾被众多顶级媒体争相报道:

说的是英国兰卡斯特大学 Barbara Maher 教授团队 2016 年 9 月发表在 PNAS 上的文章:

BBC 说「英国每年死于空气污染的人数大约是50 000 人」。而 Maher 教授证明空气污染中的磁性纳米颗粒,可以进入人的大脑。她引用其他证据表明,这些颗粒可能和老年痴呆症 (AD) 相关。

听到这些,再想到最近肆虐的雾霾,整个人都不好了…赶紧读下原始文献压压惊:

文中通过透射电镜和电子能量损失谱(EELS)发现大脑中有形态大不相同的两种颗粒:小图 C/D 中带棱角的晶体颗粒是内源性的;而更多的是 A/B 中这种呈球状的颗粒,直径 10~150 nm,其外形以及 EELS 谱线(E、蓝线),都与城市空气污染颗粒中普遍存在的高温燃烧产生的磁性纳米颗粒一致。

为进一步确认,作者用磁性分离富集了脑组织消化产物中的颗粒:

通过电镜和能量色散 X 射线(EDX)分析,发现结构特点和污染来源的磁性纳米颗粒一样,支持这些颗粒的空气污染物来源属性。

看来空气污染颗粒能入脑是没跑了,那它在脑内会积累到什么程度,有什么影响呢?

37 个大脑样本,脑内每克干重中磁性纳米颗粒的含量达到 0.2~12 μg,数量之多超乎想象。上图中显示了年龄和颗粒含量的关系(红色为普通人,右上角其他颜色来自 8 个 AD 患者,含量偏高)。

作者尚未证实这些颗粒与 AD 之间有直接联系,但有其他研究暗示 AD 患者大脑斑块和颗粒大量聚集间存在联系。可以说作者是让我们认识到了空气污染的又一个重大健康风险:纳米颗粒入脑,为后续对空气污染颗粒与大脑健康/AD 关系的研究打开了思路。

大脑如此重要,这些颗粒怎么就进来了? Maher 文中并未展开,但这对 AD 研究却是重要话题。

图 1:Kozlovskaya et al., 2014; Journal of Controlled Release 189, 133–140.

如上图,目前公认的物质入脑途径主要有两个:通过循环系统随血液进入脑部血管,再跨过血脑屏障(Blood Brain Barrier,即 BBB)进入大脑;或者通过鼻腔内的三叉神经或嗅神经直接入脑。

血脑屏障 (BBB) 分子机制

血脑屏障(BBB)是大脑的重要门户,位于脑部毛细血管和大脑之间,是高度特化的多细胞结构,为血液和大脑之间的物质交换提供选择性的屏障作用, 调控脑内离子浓度,阻挡神经递质、大分子和神经毒素入脑(脑屏障包括血-脑, 血-脑脊液和脑脊液-脑三重屏障, 以血脑屏障为代表)。

图 2:BBB 的径向(左)及轴向(右)切面结构图 Abbott et al., 2010; Neurobiol. Dis. 37, 13–25.

BBB 的关键部分是毛细血管的内皮细胞,其特化之处是在物质交换方面非常「克制」:一来缺乏血管-组织间常见的快速分子交换小孔;二来缺乏用于胞外物质吸收的胞饮小体;细胞间的紧密连接(图 3-Panel A)倒是「缝」得更长了,结果呢,强烈限制了通透性。在这些限制下,物质想通过扩散作用入脑,需要满足:脂溶性,分子量小于 400 Da,并且不被脑部主动外排。这一下子挡住了 98% 的小分子和几乎 100% 的生物大分子。

其他分子要跨越 BBB,需要通过内皮细胞上的转运蛋白(图 3 中用绿色图标标记):流入性转运蛋白负责葡萄糖、氨基酸、离子的入脑;流出性转运蛋白将代谢废物和神经毒素排出大脑,代表性的有 ABC 家族,OAT 系统等。

此外,多方面因素影响 BBB 的通透性调节,包括:神经元、细胞外基质(图 3-Panel B)、星形细胞和周细胞,它们和内皮细胞一起组成了神经血管单元,其中包含了大量结构和调控的分子机制。下图显示了相关分子机制,这些结构蛋白、转运蛋白等经常被作为 BBB 相关研究的生物标志物:

图 3:血脑屏障(BBB)组成分子机理图, 来自 R&D Systems 官网互动信号通路图

AD 研究中的血脑屏障

包括 AD 在内的脑部疾病研究中,想要对脑部给药,或进行活体标记,经常会面对难以通过 BBB 的问题,此时,寻找或者改造得到合适的药物很重要,对于小分子化合物和生物大分子,有不同策略去提升通透性:

小分子的例子要从 Aβ 聚集形成的淀粉样斑块说起,它是 AD 的显著表现,经典的体外实验是用刚果红对其进行染色,刚果红(Tocris Cat#5167)是一种芳香族磺化偶氮染料,水溶性,分子量 696.66,可以特异性标记 Aβ, 但它难以通过 BBB。

随着多光子荧光显微镜技术的成熟,对大脑病变的体内监测成为了神经生物学研究新热点。但刚果红的通透性不足,制约了 Aβ 的活体成像。

为此,针对刚果红的衍生物改造得到了 Methoxy-X04(Tocris Cat#4920):一方面,保留了关键的两个酸性官能团及其间距,使其仍能特异性结合 Aβ;另一方面,精简羧基等亲水基团并降低分子量,使其通过 BBB 能力大大提高。

改造得来的 Methoxy-X04 被成功地应用于转基因 AD 小鼠模型的活体成像(图 4 显示了 Aβ 斑块在小鼠脑内随时间的积累情况)。

图 4 来自 Fig.1 Hefendehl et al.,2011; J. Neurosci. 31:624-629

大分子方面,针对 Aβ 或 Tau 的 AD 免疫疗法依赖于治疗抗体能顺利入脑。在常规循环系统给药时,只有约 0.1% 的抗体可以通过 BBB 进入大脑。想增加通过率,要对抗体做相应改造,搭上主动转运系统的便车。

跨 BBB 主动转运系统中,转铁蛋白通过 TfR 受体的胞吞转运是一个经典案例,借助这一系统,研究人员提高了人源化 抗体的入脑通透性:

图 5 来自 Hultqvist et al., 2017; Theranostics 7, 308–318

如上图 C,TfR 抗体 8D3(克隆号) 可以二价结合 TfR 二聚体。其 scFv 片段被拿来改造 Aβ 抗体(RmAb158),研究人员在 Aβ 抗体的两条轻链的 C 端各连接了一个 scFv 片段。

改造后的 Aβ 抗体具有单价结合 TfR 的能力,可以借助 TfR 介导的胞吞转运跨 BBB 运输。体内实验中,改造后的抗体在脑内的浓度达到原始 Aβ 抗体的 80 倍,显著增加了通透性的。这一策略将成为入脑抗体药物研发的极大助力。

第二途径:鼻腔直接入脑和 AD

物质入脑还有个方便的「后门」可走,就是通过鼻腔的嗅神经和三叉神经直接入脑。现在通过鼻腔向大脑给药,已经是成熟的方法。大量研究表明,多种不同类型的物质可以通过鼻腔到达大脑。

20 世纪 90 年代初,发现抗生素(头孢氨苄)可以经过鼻腔最终到达脑脊液;其后不久,又发现蛋白(WGA-HRP)也可以通过鼻腔进入大脑。21 世经初,发现空气中小于 200 nm 的碳或 TiO2 的纳米颗粒可以通过嗅神经的轴突直接到达大脑。鼻腔丰富的神经末梢提供了很大便利。

Maher 研究的磁性纳米颗粒,其入脑方式被认为和其他纳米颗粒一致,也是通过鼻腔。(对此,Maher 建议在路上车辆较多、颗粒物排放量大的情况下,开车时选择空气内循环交换模式,减少和纳米颗粒的接触。真不愧是贴心的女科学家)。

鼻腔入脑是把双刃剑,磁性纳米颗粒入脑是 AD 的潜在诱因,而另一种可以通过鼻腔入脑的物质却可能治疗 AD,这个物质竟是大家熟悉的那个用来治疗糖尿病的胰岛素。

胰岛素及相关生长因子具有负调控 Aβ 的功能,可降低 Aβ 前体的磷酸化水平,并通过相关蛋白(如 IDE 等)促进 Aβ 前体的清除。它还能减轻 Aβ 寡聚体对神经系统的伤害效应。脑部的胰岛素水平,对于控制 Aβ 浓度十分重要。

无论胰岛素的浓度还是胰岛素的调控机制,由于 BBB 的存在,在脑内和体内循环系统中是两套相互联系又彼此独立的系统。BBB 中的胰岛素受体负责胰岛素入脑的转运,但 AD 可造成受体数量减少,在循环系统高胰岛素的情况下脑内胰岛素浓度反而少于健康人,这限制了通过 BBB 向 AD 病人的胰岛素给药效果。

因此,鼻腔给药成为更有希望的途径,临床试验表明,通过鼻腔给药,胰岛素可以改善 AD 早期病人的记忆功能状态 [文献 4]。这次,鼻腔这个「后门」立了大功。

总结

虽然大脑的血脑屏障和调控机制增加了 AD 相关研究的难度,但是,随着对分子机理的研究深入,和研究工具的完善,脑部给药策略也在不断进步,与此同时,神经科学研究人员的手中也将会有越来越多的重要成果出现。

参考文献:

[1] Hultqvist et.al., (2017)。 Bivalent Brain Shuttle Increases Antibody Uptake by Monovalent Binding to the Transferrin Receptor. Theranostics 7, 308–318.

[2] Kullmann et.al., (2016)。 Brain Insulin Resistance at the Crossroads of Metabolic and Cognitive Disorders in Humans. Physiol. Rev. 96, 1169–1209.

[3] Maher et.al., (2016)。 Magnetite pollution nanoparticles in the human brain. PNAS 113, 10797–10801.

[4] Claxton et.al., (2015)。 Long-Acting Intranasal Insulin Detemir Improves Cognition for Adults with Mild Cognitive Impairment or Early-Stage Alzheimer's Disease Dementia. J. Alzheimers Dis. 44, 897–906.

[5] Lochhead and Thorne (2012)。 Intranasal delivery of biologics to the central nervous system. Adv. Drug Deliv. Rev. 64, 614–628.

[6] Abbott et.al., (2010)。 Structure and function of the blood-brain barrier. Neurobiol. Dis. 37, 13–25.

文章来源:R&D Systems

图片来源:R&D Systems

题图来源:pixabay.com

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