文獻解讀：PEGASOS透明化技術助力新型藥物載體研發
PEGASOS用于檢測載體在腦內的分布
隨著全球人口老齡化進程的不斷加速，腦相關疾病的發病率呈現顯著上升趨勢，已成為導致老年人死亡的主要病因之一。然而，當前醫學界面臨著一個嚴峻的挑戰：盡管在相關領域投入了大量持續性的研究資金，但對于阿爾茨海默病（AD）等腦部疾病，仍然缺乏有效的緩解藥物。造成這一現狀的關鍵因素之一是血腦屏障的存在，它嚴重阻礙了許多針對中樞神經系統疾病的尖端療法的應用。
基于此，西南大學的李翀教授率領團隊進行了深入的探索。他們以天然小分子藥物為基礎，對脂質納米顆粒載體進行結構改造，使藥物易于穿透血腦屏障。這種新型載體不僅能夠高效遞送治療藥物，還發揮載體本身的藥物作用，對多種腦疾病模型產生了顯著的治療效果。
李翀教授的這部分工作分別在去年和今年發表于期刊Nature Communication上，在這兩篇文章中，都應用了PEGASOS組織透明化方法，對全腦進行成像，從而檢測新型載體在大腦中的分布，并證實新型載體相比于已有載體的優越性。
接下來，具體介紹一下李翀教授的工作，尤其是PEGASOS在其中的應用。
1、腦血流調控助力脂質納米顆粒精準靶向腦部
天然小分子藥物是指從自然界中提取或衍生得到的、分子量相對較小（通常小于1000道爾頓）且具有生物活性的化合物。這類藥物主要來源于植物、微生物、海洋生物等天然資源，其化學結構多樣，包括生物堿、黃酮類、萜類、苷類等多種類型。長春西汀是一種長春花葉中發現的吲哚生物堿長春堿的化合物，藥理作用是對1 型腦磷酸二酯酶 （PDE1）的選擇性抑制，這有助于維持或恢復生理性腦血管擴張，選擇性增加區域腦血流，而不會顯著影響全身血壓，其被廣泛用作腦血管疾病和認知障礙（如中風、老年癡呆和記憶障礙）的處方藥或膳食補充劑。
2024年，西南大學李翀團隊從腦血流的調節和長春西汀的結構特征中汲取靈感，開發了一種創新的腦靶向遞送系統，稱為長春西汀衍生的可電離脂質納米顆粒（vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles, VIP），相關的研究“Regulation of cerebral blood flow boosts precise brain targeting of vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles”，發表在Nature Communications（IF2023 = 14.7）。
研究人員首先基于長春花生物堿的結構進行大量的分子設計與檢測，發現新型可電離脂質（A5-B1-C4.2），以下簡稱VIP，在粒徑大小，酸解離常數，以及增強血流方面均優于其他分子結構。
圖2. AD模型小鼠，基于VIP載體的藥物VIP@siBACE1，相比其他藥物載體組顯著提升了AD小鼠物體識別行為測試表現。
最后，研究人員對新型載體攜帶mRNA藥物的能力進行測試。相比于現在市場上主流的D-Lin-MC3-DMA（一種可電離的陽離子脂質, 是有效的藥物遞送載體，簡稱MC3），VIP具有更好的藥物承載能力，同時對血腦屏障的滲透能力更強，促進藥物更高效地吸收。在這里，作者使用PEGASOS方法進行組織透明化，獲得3D全腦成像，并以此對比兩種藥物遞送方法。由于攜帶的小型mRNA藥物帶有eGFP熒光標記，故可以從熒光分布的強度與廣度比較兩個藥物載體的運載能力。成像結果發現VIP方法的遞送效率高于傳統的MC3方法。
圖3. 透明化后，兩種藥物載體（MC3和VIP）自尾靜脈進入小鼠體內，藥物在大腦中的分布情況
2、小檗堿衍生型可電離脂質：同步解決核酸藥物結構穩定性與腦靶向遞送難題
上一篇文章中第一代新型藥物載體VIP（血管內皮細胞靶向肽）通過調控腦微血管血流，在實現腦靶向藥物遞送方面展現出顯著優勢。然而，其單純依賴靜電相互作用的載藥機制，在核酸藥物的負載效率與結構穩定性方面仍存在一定局限性。值得注意的是，VIP中可電離脂質頭基的結構設計尚具有優化空間，通過對其分子結構的合理修飾，有望進一步增強其對靶細胞的親和力，從而提升藥物的精準靶向遞送效率。
基于此，李翀教授團隊以小檗堿 （BE）為結構基礎，進行了第二代新型藥物載體的改進開發。小檗堿是一種重要的異喹啉生物堿，通過植物提取或小檗堿氫化獲得，具有良好的穩定性、生物利用度、安全性和治療效果。此外，原小檗堿與多巴胺 D3 受體 （D3R）親和力高，D3R在海馬腦區（阿爾茨海默病高發腦區）以及腦垂體（腦感染與腦腫瘤高發腦區）分布廣泛，以上種種因素使得小檗堿成為二代新型藥物載體最有力的候選方案。相關研究“Berberine-inspired ionizable lipid for self-structure stabilization and brain targeting delivery of nucleic acid therapeutics”發表在Nature Communications上。
與第一代藥物載體開發流程類似，首先以BE為結構基礎進行多種化合物的合成及評測，發現A2-B13在粒徑大小，酸解離常數，增強血流方面以及藥物的內體逃逸方面均優于其他分子結構。
與第一代藥物載體相比，第二代藥物載體通過有機酸的酸堿對策略，進一步優化了BE結構的電中性特性。通過將BE與黃芩素（ST）進行絡合，不僅有效維持了BE對DRD3的結合親和力及其血腦屏障穿透能力，還顯著提升了藥物的遞送效率。實驗結果表明，與單獨使用BE相比，BE-ST制劑在血漿峰濃度上實現了顯著提升，同時藥代動力學參數改善了1.73倍，為藥物療效的增強提供了有力支持。
圖4. d圖，注射BE-有機酸復合物(BE+ST;BE+EGCG;BE+CA)后 1 小時，帶有熒光標記藥物在體內和離體成像。e圖，靜脈內給藥后 SD 大鼠 BE 和 BE-ST 的血漿濃度-時間曲線 。
在深入研究的基礎上，科研團隊進一步構建了小鼠疾病模型，通過系統性實驗驗證了BE-ST作為藥物載體的卓越性能。研究從分子層面延伸至動物模型，全面揭示了第二代基于生物堿的LNP——(BE-ST)所具備的四大核心優勢：
1. 顯著提升核酸負載能力和穩定性：為藥物遞送提供了可靠保障；
2. 有效改善核酸藥物的內體逃逸效率，并優化細胞內運輸過程：確保藥物能夠精準到達作用靶點；
3. 通過體外和體內實驗雙重驗證，證實優異的腦靶向能力：為中樞神經系統疾病的治療開辟了新途徑；
4. 保留原小檗堿生物堿的藥理活性，與核酸藥物產生顯著協同效應：為聯合治療策略提供了有力支持。
這一系列發現不僅深化了我們對LNP載體的認識，更為新型藥物遞送系統的開發奠定了重要基礎。
在這項工作中，PEGASOS透明化技術同樣起到了重要的作用。下圖顯示的是BE-ST與現在市場上主流的D-Lin-MC3-DMA（一種可電離的陽離子脂質, 是一種有效的藥物遞送載體，MC3）在透明大腦中分布情況，明顯看出BE-ST@eGFP mRNA的分布優于MC3@eGFP mRNA.
圖5. 兩種藥物載體（MC3和BE-ST）自尾靜脈進入小鼠體內，藥物在PEGASOS透明化大腦中的分布情況。
總結
在新藥的研發過程中，藥物在組織中的分布情況是評價藥物效果的重要指標。傳統的研究方法，如切片染色，微透析等等手段，常常無法原位，整體地去觀測藥物在大腦中的作用范圍。上面分享的兩篇文章，利用PEGASOS組織透明化方法，展現了新型藥物載體借助熒光標記手段，在大腦中的分布情況，為藥物作用評價提供了新的方法與思路。
PEGASOS作為一種獨特的透明化技術，其優勢在于軟硬組織都能透明，透明度高，熒光保護性好，操作簡便，到目前為止，利用PEGASOS已發表了150+篇文獻。
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參考文獻：
[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.
隨著全球人口老齡化進程的不斷加速，腦相關疾病的發病率呈現顯著上升趨勢，已成為導致老年人死亡的主要病因之一。然而，當前醫學界面臨著一個嚴峻的挑戰：盡管在相關領域投入了大量持續性的研究資金，但對于阿爾茨海默病（AD）等腦部疾病，仍然缺乏有效的緩解藥物。造成這一現狀的關鍵因素之一是血腦屏障的存在，它嚴重阻礙了許多針對中樞神經系統疾病的尖端療法的應用。
基于此，西南大學的李翀教授率領團隊進行了深入的探索。他們以天然小分子藥物為基礎，對脂質納米顆粒載體進行結構改造，使藥物易于穿透血腦屏障。這種新型載體不僅能夠高效遞送治療藥物，還發揮載體本身的藥物作用，對多種腦疾病模型產生了顯著的治療效果。
李翀教授的這部分工作分別在去年和今年發表于期刊Nature Communication上，在這兩篇文章中，都應用了PEGASOS組織透明化方法，對全腦進行成像，從而檢測新型載體在大腦中的分布，并證實新型載體相比于已有載體的優越性。
接下來，具體介紹一下李翀教授的工作，尤其是PEGASOS在其中的應用。
1、腦血流調控助力脂質納米顆粒精準靶向腦部
天然小分子藥物是指從自然界中提取或衍生得到的、分子量相對較小（通常小于1000道爾頓）且具有生物活性的化合物。這類藥物主要來源于植物、微生物、海洋生物等天然資源，其化學結構多樣，包括生物堿、黃酮類、萜類、苷類等多種類型。長春西汀是一種長春花葉中發現的吲哚生物堿長春堿的化合物，藥理作用是對1 型腦磷酸二酯酶 （PDE1）的選擇性抑制，這有助于維持或恢復生理性腦血管擴張，選擇性增加區域腦血流，而不會顯著影響全身血壓，其被廣泛用作腦血管疾病和認知障礙（如中風、老年癡呆和記憶障礙）的處方藥或膳食補充劑。
2024年，西南大學李翀團隊從腦血流的調節和長春西汀的結構特征中汲取靈感，開發了一種創新的腦靶向遞送系統，稱為長春西汀衍生的可電離脂質納米顆粒（vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles, VIP），相關的研究“Regulation of cerebral blood flow boosts precise brain targeting of vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles”，發表在Nature Communications（IF2023 = 14.7）。
圖1. 利用激光散斑的方法測量不同化合物引起的血流變化
研究顯示，VIP除了可以增強腦血流量外，同時對多種腦部疾病存在治療效果。以AD模型小鼠為例，給予以VIP為藥物載體的VIP@siBACE1（β 位點淀粉樣蛋白前體蛋白裂解酶 1，可以裂解淀粉樣蛋白沉積，緩解AD癥狀），有效的緩解小鼠的行為缺陷以及減少淀粉樣蛋白的沉積。從功能方面，證實了新型藥物載體VIP的有效性。最后，研究人員對新型載體攜帶mRNA藥物的能力進行測試。相比于現在市場上主流的D-Lin-MC3-DMA（一種可電離的陽離子脂質, 是有效的藥物遞送載體，簡稱MC3），VIP具有更好的藥物承載能力，同時對血腦屏障的滲透能力更強，促進藥物更高效地吸收。在這里，作者使用PEGASOS方法進行組織透明化，獲得3D全腦成像，并以此對比兩種藥物遞送方法。由于攜帶的小型mRNA藥物帶有eGFP熒光標記，故可以從熒光分布的強度與廣度比較兩個藥物載體的運載能力。成像結果發現VIP方法的遞送效率高于傳統的MC3方法。
2、小檗堿衍生型可電離脂質：同步解決核酸藥物結構穩定性與腦靶向遞送難題
上一篇文章中第一代新型藥物載體VIP（血管內皮細胞靶向肽）通過調控腦微血管血流，在實現腦靶向藥物遞送方面展現出顯著優勢。然而，其單純依賴靜電相互作用的載藥機制，在核酸藥物的負載效率與結構穩定性方面仍存在一定局限性。值得注意的是，VIP中可電離脂質頭基的結構設計尚具有優化空間，通過對其分子結構的合理修飾，有望進一步增強其對靶細胞的親和力，從而提升藥物的精準靶向遞送效率。
基于此，李翀教授團隊以小檗堿 （BE）為結構基礎，進行了第二代新型藥物載體的改進開發。小檗堿是一種重要的異喹啉生物堿，通過植物提取或小檗堿氫化獲得，具有良好的穩定性、生物利用度、安全性和治療效果。此外，原小檗堿與多巴胺 D3 受體 （D3R）親和力高，D3R在海馬腦區（阿爾茨海默病高發腦區）以及腦垂體（腦感染與腦腫瘤高發腦區）分布廣泛，以上種種因素使得小檗堿成為二代新型藥物載體最有力的候選方案。相關研究“Berberine-inspired ionizable lipid for self-structure stabilization and brain targeting delivery of nucleic acid therapeutics”發表在Nature Communications上。
與第一代藥物載體開發流程類似，首先以BE為結構基礎進行多種化合物的合成及評測，發現A2-B13在粒徑大小，酸解離常數，增強血流方面以及藥物的內體逃逸方面均優于其他分子結構。
與第一代藥物載體相比，第二代藥物載體通過有機酸的酸堿對策略，進一步優化了BE結構的電中性特性。通過將BE與黃芩素（ST）進行絡合，不僅有效維持了BE對DRD3的結合親和力及其血腦屏障穿透能力，還顯著提升了藥物的遞送效率。實驗結果表明，與單獨使用BE相比，BE-ST制劑在血漿峰濃度上實現了顯著提升，同時藥代動力學參數改善了1.73倍，為藥物療效的增強提供了有力支持。
在深入研究的基礎上，科研團隊進一步構建了小鼠疾病模型，通過系統性實驗驗證了BE-ST作為藥物載體的卓越性能。研究從分子層面延伸至動物模型，全面揭示了第二代基于生物堿的LNP——(BE-ST)所具備的四大核心優勢：
1. 顯著提升核酸負載能力和穩定性：為藥物遞送提供了可靠保障；
2. 有效改善核酸藥物的內體逃逸效率，并優化細胞內運輸過程：確保藥物能夠精準到達作用靶點；
3. 通過體外和體內實驗雙重驗證，證實優異的腦靶向能力：為中樞神經系統疾病的治療開辟了新途徑；
4. 保留原小檗堿生物堿的藥理活性，與核酸藥物產生顯著協同效應：為聯合治療策略提供了有力支持。
這一系列發現不僅深化了我們對LNP載體的認識，更為新型藥物遞送系統的開發奠定了重要基礎。
在這項工作中，PEGASOS透明化技術同樣起到了重要的作用。下圖顯示的是BE-ST與現在市場上主流的D-Lin-MC3-DMA（一種可電離的陽離子脂質, 是一種有效的藥物遞送載體，MC3）在透明大腦中分布情況，明顯看出BE-ST@eGFP mRNA的分布優于MC3@eGFP mRNA.
總結
在新藥的研發過程中，藥物在組織中的分布情況是評價藥物效果的重要指標。傳統的研究方法，如切片染色，微透析等等手段，常常無法原位，整體地去觀測藥物在大腦中的作用范圍。上面分享的兩篇文章，利用PEGASOS組織透明化方法，展現了新型藥物載體借助熒光標記手段，在大腦中的分布情況，為藥物作用評價提供了新的方法與思路。
PEGASOS作為一種獨特的透明化技術，其優勢在于軟硬組織都能透明，透明度高，熒光保護性好，操作簡便，到目前為止，利用PEGASOS已發表了150+篇文獻。
禮智生物科技代理的PEGASOS組織透明化試劑盒，使用簡單，擁有大批客戶。對透明化技術感興趣的老師同學，歡迎聯系我們（聯系方式見文末）。
參考文獻：
[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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