文献解读：PEGASOS透明化技术助力新型药物载体研发
2025-05-13 来源:本站 点击次数:321
PEGASOS用于检测载体在脑内的分布
随着全球人口老龄化进程的不断加速，脑相关疾病的发病率呈现显著上升趋势，已成为导致老年人死亡的主要病因之一。然而，当前医学界面临着一个严峻的挑战：尽管在相关领域投入了大量持续性的研究资金，但对于阿尔茨海默病（AD）等脑部疾病，仍然缺乏有效的缓解药物。造成这一现状的关键因素之一是血脑屏障的存在，它严重阻碍了许多针对中枢神经系统疾病的尖端疗法的应用。
基于此，西南大学的李翀教授率领团队进行了深入的探索。他们以天然小分子药物为基础，对脂质纳米颗粒载体进行结构改造，使药物易于穿透血脑屏障。这种新型载体不仅能够高效递送治疗药物，还发挥载体本身的药物作用，对多种脑疾病模型产生了显著的治疗效果。
李翀教授的这部分工作分别在去年和今年发表于期刊Nature Communication上，在这两篇文章中，都应用了PEGASOS组织透明化方法，对全脑进行成像，从而检测新型载体在大脑中的分布，并证实新型载体相比于已有载体的优越性。
接下来，具体介绍一下李翀教授的工作，尤其是PEGASOS在其中的应用。
1、脑血流调控助力脂质纳米颗粒精准靶向脑部
天然小分子药物是指从自然界中提取或衍生得到的、分子量相对较小（通常小于1000道尔顿）且具有生物活性的化合物。这类药物主要来源于植物、微生物、海洋生物等天然资源，其化学结构多样，包括生物碱、黄酮类、萜类、苷类等多种类型。长春西汀是一种长春花叶中发现的吲哚生物碱长春碱的化合物，药理作用是对1 型脑磷酸二酯酶 （PDE1）的选择性抑制，这有助于维持或恢复生理性脑血管扩张，选择性增加区域脑血流，而不会显著影响全身血压，其被广泛用作脑血管疾病和认知障碍（如中风、老年痴呆和记忆障碍）的处方药或膳食补充剂。
2024年，西南大学李翀团队从脑血流的调节和长春西汀的结构特征中汲取灵感，开发了一种创新的脑靶向递送系统，称为长春西汀衍生的可电离脂质纳米颗粒（vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles, VIP），相关的研究“Regulation of cerebral blood flow boosts precise brain targeting of vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles”，发表在Nature Communications（IF2023 = 14.7）。
研究人员首先基于长春花生物碱的结构进行大量的分子设计与检测，发现新型可电离脂质（A5-B1-C4.2），以下简称VIP，在粒径大小，酸解离常数，以及增强血流方面均优于其他分子结构。
图2. AD模型小鼠，基于VIP载体的药物VIP@siBACE1，相比其他药物载体组显著提升了AD小鼠物体识别行为测试表现。
最后，研究人员对新型载体携带mRNA药物的能力进行测试。相比于现在市场上主流的D-Lin-MC3-DMA（一种可电离的阳离子脂质, 是有效的药物递送载体，简称MC3），VIP具有更好的药物承载能力，同时对血脑屏障的渗透能力更强，促进药物更高效地吸收。在这里，作者使用PEGASOS方法进行组织透明化，获得3D全脑成像，并以此对比两种药物递送方法。由于携带的小型mRNA药物带有eGFP荧光标记，故可以从荧光分布的强度与广度比较两个药物载体的运载能力。成像结果发现VIP方法的递送效率高于传统的MC3方法。
图3. 透明化后，两种药物载体（MC3和VIP）自尾静脉进入小鼠体内，药物在大脑中的分布情况
2、小檗碱衍生型可电离脂质：同步解决核酸药物结构稳定性与脑靶向递送难题
上一篇文章中第一代新型药物载体VIP（血管内皮细胞靶向肽）通过调控脑微血管血流，在实现脑靶向药物递送方面展现出显著优势。然而，其单纯依赖静电相互作用的载药机制，在核酸药物的负载效率与结构稳定性方面仍存在一定局限性。值得注意的是，VIP中可电离脂质头基的结构设计尚具有优化空间，通过对其分子结构的合理修饰，有望进一步增强其对靶细胞的亲和力，从而提升药物的精准靶向递送效率。
基于此，李翀教授团队以小檗碱 （BE）为结构基础，进行了第二代新型药物载体的改进开发。小檗碱是一种重要的异喹啉生物碱，通过植物提取或小檗碱氢化获得，具有良好的稳定性、生物利用度、安全性和治疗效果。此外，原小檗碱与多巴胺 D3 受体 （D3R）亲和力高，D3R在海马脑区（阿尔茨海默病高发脑区）以及脑垂体（脑感染与脑肿瘤高发脑区）分布广泛，以上种种因素使得小檗碱成为二代新型药物载体最有力的候选方案。相关研究“Berberine-inspired ionizable lipid for self-structure stabilization and brain targeting delivery of nucleic acid therapeutics”发表在Nature Communications上。
与第一代药物载体开发流程类似，首先以BE为结构基础进行多种化合物的合成及评测，发现A2-B13在粒径大小，酸解离常数，增强血流方面以及药物的内体逃逸方面均优于其他分子结构。
与第一代药物载体相比，第二代药物载体通过有机酸的酸碱对策略，进一步优化了BE结构的电中性特性。通过将BE与黄芩素（ST）进行络合，不仅有效维持了BE对DRD3的结合亲和力及其血脑屏障穿透能力，还显著提升了药物的递送效率。实验结果表明，与单独使用BE相比，BE-ST制剂在血浆峰浓度上实现了显著提升，同时药代动力学参数改善了1.73倍，为药物疗效的增强提供了有力支持。
图4. d图，注射BE-有机酸复合物(BE+ST;BE+EGCG;BE+CA)后 1 小时，带有荧光标记药物在体内和离体成像。e图，静脉内给药后 SD 大鼠 BE 和 BE-ST 的血浆浓度-时间曲线 。
在深入研究的基础上，科研团队进一步构建了小鼠疾病模型，通过系统性实验验证了BE-ST作为药物载体的卓越性能。研究从分子层面延伸至动物模型，全面揭示了第二代基于生物碱的LNP——(BE-ST)所具备的四大核心优势：
1. 显著提升核酸负载能力和稳定性：为药物递送提供了可靠保障；
2. 有效改善核酸药物的内体逃逸效率，并优化细胞内运输过程：确保药物能够精准到达作用靶点；
3. 通过体外和体内实验双重验证，证实优异的脑靶向能力：为中枢神经系统疾病的治疗开辟了新途径；
4. 保留原小檗碱生物碱的药理活性，与核酸药物产生显著协同效应：为联合治疗策略提供了有力支持。
这一系列发现不仅深化了我们对LNP载体的认识，更为新型药物递送系统的开发奠定了重要基础。
在这项工作中，PEGASOS透明化技术同样起到了重要的作用。下图显示的是BE-ST与现在市场上主流的D-Lin-MC3-DMA（一种可电离的阳离子脂质, 是一种有效的药物递送载体，MC3）在透明大脑中分布情况，明显看出BE-ST@eGFP mRNA的分布优于MC3@eGFP mRNA.
图5. 两种药物载体（MC3和BE-ST）自尾静脉进入小鼠体内，药物在PEGASOS透明化大脑中的分布情况。
总结
在新药的研发过程中，药物在组织中的分布情况是评价药物效果的重要指标。传统的研究方法，如切片染色，微透析等等手段，常常无法原位，整体地去观测药物在大脑中的作用范围。上面分享的两篇文章，利用PEGASOS组织透明化方法，展现了新型药物载体借助荧光标记手段，在大脑中的分布情况，为药物作用评价提供了新的方法与思路。
PEGASOS作为一种独特的透明化技术，其优势在于软硬组织都能透明，透明度高，荧光保护性好，操作简便，到目前为止，利用PEGASOS已发表了150+篇文献。
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参考文献：
[1] Liu L, Huang K, Li W, et al. Molecular Imaging of Collagen Destruction of the Spine. ACS Nano. 2021 Dec 28;15(12):19138-19149. doi: 10.1021/acsnano.1c07112.
[2] Wang L, Yang H, Huang J, et al. Targeted Ptpn11 deletion in mice reveals the essential role of SHP2 in osteoblast differentiation and skeletal homeostasis. Bone Res. 2021 Jan 27;9(1):6. doi: 10.1038/s41413-020-00129-7.
[3] Men Y, Wang Y, Yi Y, et al. Gli1+ Periodontium Stem Cells Are Regulated by Osteocytes and Occlusal Force. Dev Cell. 2020 Sep 14;54(5):639-654.e6. doi: 10.1016/j.devcel.2020.06.006.
随着全球人口老龄化进程的不断加速，脑相关疾病的发病率呈现显著上升趋势，已成为导致老年人死亡的主要病因之一。然而，当前医学界面临着一个严峻的挑战：尽管在相关领域投入了大量持续性的研究资金，但对于阿尔茨海默病（AD）等脑部疾病，仍然缺乏有效的缓解药物。造成这一现状的关键因素之一是血脑屏障的存在，它严重阻碍了许多针对中枢神经系统疾病的尖端疗法的应用。
基于此，西南大学的李翀教授率领团队进行了深入的探索。他们以天然小分子药物为基础，对脂质纳米颗粒载体进行结构改造，使药物易于穿透血脑屏障。这种新型载体不仅能够高效递送治疗药物，还发挥载体本身的药物作用，对多种脑疾病模型产生了显著的治疗效果。
李翀教授的这部分工作分别在去年和今年发表于期刊Nature Communication上，在这两篇文章中，都应用了PEGASOS组织透明化方法，对全脑进行成像，从而检测新型载体在大脑中的分布，并证实新型载体相比于已有载体的优越性。
接下来，具体介绍一下李翀教授的工作，尤其是PEGASOS在其中的应用。
1、脑血流调控助力脂质纳米颗粒精准靶向脑部
天然小分子药物是指从自然界中提取或衍生得到的、分子量相对较小（通常小于1000道尔顿）且具有生物活性的化合物。这类药物主要来源于植物、微生物、海洋生物等天然资源，其化学结构多样，包括生物碱、黄酮类、萜类、苷类等多种类型。长春西汀是一种长春花叶中发现的吲哚生物碱长春碱的化合物，药理作用是对1 型脑磷酸二酯酶 （PDE1）的选择性抑制，这有助于维持或恢复生理性脑血管扩张，选择性增加区域脑血流，而不会显著影响全身血压，其被广泛用作脑血管疾病和认知障碍（如中风、老年痴呆和记忆障碍）的处方药或膳食补充剂。
2024年，西南大学李翀团队从脑血流的调节和长春西汀的结构特征中汲取灵感，开发了一种创新的脑靶向递送系统，称为长春西汀衍生的可电离脂质纳米颗粒（vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles, VIP），相关的研究“Regulation of cerebral blood flow boosts precise brain targeting of vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles”，发表在Nature Communications（IF2023 = 14.7）。
图1. 利用激光散斑的方法测量不同化合物引起的血流变化
研究显示，VIP除了可以增强脑血流量外，同时对多种脑部疾病存在治疗效果。以AD模型小鼠为例，给予以VIP为药物载体的VIP@siBACE1（β 位点淀粉样蛋白前体蛋白裂解酶 1，可以裂解淀粉样蛋白沉积，缓解AD症状），有效的缓解小鼠的行为缺陷以及减少淀粉样蛋白的沉积。从功能方面，证实了新型药物载体VIP的有效性。最后，研究人员对新型载体携带mRNA药物的能力进行测试。相比于现在市场上主流的D-Lin-MC3-DMA（一种可电离的阳离子脂质, 是有效的药物递送载体，简称MC3），VIP具有更好的药物承载能力，同时对血脑屏障的渗透能力更强，促进药物更高效地吸收。在这里，作者使用PEGASOS方法进行组织透明化，获得3D全脑成像，并以此对比两种药物递送方法。由于携带的小型mRNA药物带有eGFP荧光标记，故可以从荧光分布的强度与广度比较两个药物载体的运载能力。成像结果发现VIP方法的递送效率高于传统的MC3方法。
2、小檗碱衍生型可电离脂质：同步解决核酸药物结构稳定性与脑靶向递送难题
上一篇文章中第一代新型药物载体VIP（血管内皮细胞靶向肽）通过调控脑微血管血流，在实现脑靶向药物递送方面展现出显著优势。然而，其单纯依赖静电相互作用的载药机制，在核酸药物的负载效率与结构稳定性方面仍存在一定局限性。值得注意的是，VIP中可电离脂质头基的结构设计尚具有优化空间，通过对其分子结构的合理修饰，有望进一步增强其对靶细胞的亲和力，从而提升药物的精准靶向递送效率。
基于此，李翀教授团队以小檗碱 （BE）为结构基础，进行了第二代新型药物载体的改进开发。小檗碱是一种重要的异喹啉生物碱，通过植物提取或小檗碱氢化获得，具有良好的稳定性、生物利用度、安全性和治疗效果。此外，原小檗碱与多巴胺 D3 受体 （D3R）亲和力高，D3R在海马脑区（阿尔茨海默病高发脑区）以及脑垂体（脑感染与脑肿瘤高发脑区）分布广泛，以上种种因素使得小檗碱成为二代新型药物载体最有力的候选方案。相关研究“Berberine-inspired ionizable lipid for self-structure stabilization and brain targeting delivery of nucleic acid therapeutics”发表在Nature Communications上。
与第一代药物载体开发流程类似，首先以BE为结构基础进行多种化合物的合成及评测，发现A2-B13在粒径大小，酸解离常数，增强血流方面以及药物的内体逃逸方面均优于其他分子结构。
与第一代药物载体相比，第二代药物载体通过有机酸的酸碱对策略，进一步优化了BE结构的电中性特性。通过将BE与黄芩素（ST）进行络合，不仅有效维持了BE对DRD3的结合亲和力及其血脑屏障穿透能力，还显著提升了药物的递送效率。实验结果表明，与单独使用BE相比，BE-ST制剂在血浆峰浓度上实现了显著提升，同时药代动力学参数改善了1.73倍，为药物疗效的增强提供了有力支持。
在深入研究的基础上，科研团队进一步构建了小鼠疾病模型，通过系统性实验验证了BE-ST作为药物载体的卓越性能。研究从分子层面延伸至动物模型，全面揭示了第二代基于生物碱的LNP——(BE-ST)所具备的四大核心优势：
1. 显著提升核酸负载能力和稳定性：为药物递送提供了可靠保障；
2. 有效改善核酸药物的内体逃逸效率，并优化细胞内运输过程：确保药物能够精准到达作用靶点；
3. 通过体外和体内实验双重验证，证实优异的脑靶向能力：为中枢神经系统疾病的治疗开辟了新途径；
4. 保留原小檗碱生物碱的药理活性，与核酸药物产生显著协同效应：为联合治疗策略提供了有力支持。
这一系列发现不仅深化了我们对LNP载体的认识，更为新型药物递送系统的开发奠定了重要基础。
在这项工作中，PEGASOS透明化技术同样起到了重要的作用。下图显示的是BE-ST与现在市场上主流的D-Lin-MC3-DMA（一种可电离的阳离子脂质, 是一种有效的药物递送载体，MC3）在透明大脑中分布情况，明显看出BE-ST@eGFP mRNA的分布优于MC3@eGFP mRNA.
总结
在新药的研发过程中，药物在组织中的分布情况是评价药物效果的重要指标。传统的研究方法，如切片染色，微透析等等手段，常常无法原位，整体地去观测药物在大脑中的作用范围。上面分享的两篇文章，利用PEGASOS组织透明化方法，展现了新型药物载体借助荧光标记手段，在大脑中的分布情况，为药物作用评价提供了新的方法与思路。
PEGASOS作为一种独特的透明化技术，其优势在于软硬组织都能透明，透明度高，荧光保护性好，操作简便，到目前为止，利用PEGASOS已发表了150+篇文献。
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参考文献：
[1] Liu L, Huang K, Li W, et al. Molecular Imaging of Collagen Destruction of the Spine. ACS Nano. 2021 Dec 28;15(12):19138-19149. doi: 10.1021/acsnano.1c07112.
[2] Wang L, Yang H, Huang J, et al. Targeted Ptpn11 deletion in mice reveals the essential role of SHP2 in osteoblast differentiation and skeletal homeostasis. Bone Res. 2021 Jan 27;9(1):6. doi: 10.1038/s41413-020-00129-7.
[3] Men Y, Wang Y, Yi Y, et al. Gli1+ Periodontium Stem Cells Are Regulated by Osteocytes and Occlusal Force. Dev Cell. 2020 Sep 14;54(5):639-654.e6. doi: 10.1016/j.devcel.2020.06.006.
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