文獻解讀：PEGASOS透明化技術助力新型藥物載體研發_abio生物試劑品牌網
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?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?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?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?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。
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?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。
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.
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?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?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?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?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。
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?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。
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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