Small: 比率型荧光共轭寡聚物用于β-淀粉样蛋白的识别、聚集抑制及毒性缓解

β-淀粉样蛋白(Aβ)广泛分布在人体血液和脑脊髓液中。Aβ的错误折叠和沉积形成的老年斑(SP)被认为是破坏患者记忆和运动神经元功能的罪魁祸首,其与系列神经退行性疾病密切相关,如阿尔茨海默症(AD),帕金森氏综合症等。因此,对于Aβ的灵敏检测和有效抑制在神经退行性疾病的早期诊断与治疗中具有重要的意义。

目前,多种方法已被报道用于检测Aβ,包括磁共振成像,免疫分析,荧光分析法等。在这些方法中,荧光分析技术由于具有高灵敏度、可实时成像、易于操作等受到了研究者的关注。特别是,比率型荧光分析方法通过测定不同波长处荧光强度的比值进行定量分析,可以避免激发光强度变化、探针浓度波动等一些外部因素对测定结果的干扰,具有较高的准确度。然而,用于Aβ检测的比率型荧光探针很少见报道。另外,目前抑制Aβ聚集的方法主要是基于非共价相互作用(静电相互作用,氢键,疏水相互作用等),由于这些作用不稳定且易受环境扰动,因而严重影响了探针的抑制效率。

最近,陕西师范大学唐艳丽教授课题组设计合成了一种新型荧光寡聚共轭(芴-对苯撑-芴)化合物(OFP-NA-NO2)探针,建立了比率型荧光检测Aβ及有效抑制Aβ聚集的新方法。该探针不仅可以通过共价相互作用与Aβ稳定结合,实现比率型荧光识别,还能够有效抑制Aβ自聚集从而缓解其神经毒性,提高小胶质细胞对Aβ的清除能力。当激发OFP时,探针主链(OFP)作为能量供体、侧链上对硝基苯基氯甲酸酯修饰的1,8-萘二甲酰亚胺衍生物(NA)为受体,产生了有效的荧光共振能量转移(FRET),由于NA与侧链末端的硝基苯之间还存在光诱导电子转移(PET),导致OFP-NA-NO2的荧光强度比值INA/IOFP较低。当Aβ存在时,Aβ上的氨基可以和OFP-NA-NO2侧链上的活性酯基团发生缩合反应,从而取代对硝基苯基团共价结合到OFP-NA上,形成Aβ/OFP-NA复合物,此时激发OFP,仅存在FRET效应,INA/IOFP比值升高,Aβ检出限为89.9 nM。由于共价结合和疏水作用的协同影响,OFP-NA-NO2能够在多种正常蛋白质中与Aβ特异性结合。此外,通过共价结合上去的探针可依靠空间位阻效应对Aβ的自聚集行为产生“不可逆”抑制效果。作者通过测定圆二色谱,证明了OFP-NA-NO2存在下体系中β-sheet结构消失,SDS-PAGE结果也显示Aβ聚集体含量降低,TEM图像则可更加直观地看出此时不再形成纤维状聚集体。更重要的是,OFP-NA-NO2不仅能够通过共价结合形成的位阻效应抑制Aβ单体向聚集体转变,还能够使已形成的Aβ聚集体发生解聚。

图1. OFP-NA-NO2对Aβ识别、聚集抑制及毒性缓解示意图
图2. OFP-NA-NO2对Aβ的光学识别研究
图3. OFP-NA-NO2对Aβ聚集抑制研究

作者以PC-12细胞作为神经细胞模型,研究了OFP-NA-NO2缓解Aβ聚集体毒性的能力。与Aβ单独孵育后,PC-12细胞存活率降至19%,而在OFP-NA-NO2存在时,细胞存活率提高至82%,其与PI染色细胞成像结果相符。通过细胞粘附成像研究,发现OFP-NA-NO2的存在能够显著降低由于Aβ聚集而产生的细胞毒性。最后,作者还以BV-2小胶质细胞为模型,研究了OFP-NA-NO2作用下小胶质细胞对Aβ吞噬能力的影响,结果表明OFP-NA-NO2能够显著下调肿瘤坏死因子(TNF-α),恢复小胶质细胞对Aβ的捕获能力。

图4. OFP-NA-NO2对Aβ聚集体毒性的缓解及小胶质细胞吞噬能力研究

综上所述,该工作报道了一种多功能比率型共轭寡聚物OFP-NA-NO2探针,其与Aβ可通过共价反应稳定结合,不仅能够依靠“不可逆”的空间位阻有效抑制Aβ自聚集,还能够有效缓解Aβ聚集体对神经细胞造成的毒性,恢复小胶质细胞对Aβ的清除能力。该工作为神经退休性疾病的早期诊断与治疗提供了新的方法与平台。

陕西师范大学化学化工学院唐艳丽教授为该论文的唯一通讯作者,博士生张梓颀为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金(No. 21974084, 21675106)、陕西省重点科技创新团队(Program No. 2021TD-42)、中央高校基本科研业务费(No. GK201901003, GK202101001)的资金支持。

论文信息:

A Ratiometric Fluorescent Conjugated Oligomer for Amyloid β Recognition, Aggregation Inhibition, and Detoxification

Ziqi Zhang, Qiong Yuan, Meiqi Li, Benkai Bao, Yanli Tang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202104581

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202104581