陳利剛,吳 靜,羅 朋,付愛玲
(西南大學藥學院,重慶 400715)
狂犬病毒糖蛋白中多肽片段作為腦靶向藥物載體的研究進展
陳利剛,吳 靜,羅 朋,付愛玲
(西南大學藥學院,重慶 400715)
狂犬病毒糖蛋白(rabies virus glycoprotein, RVG)中的多肽片段因其具有嗜神經性、血腦屏障通透性和生物安全性等優勢,目前已成為研究最為活躍的腦靶向藥物載體。RVG多肽片段與蛋白質或核酸連接后,可直接將其輸送到腦內。此外,多肽片段還可與載藥多聚物、納米粒子或脂質體等偶聯,引導后者快速進入腦內。RVG多肽片段為化合物、蛋白質、質粒、siRNA、miRNA等生物分子治療腦部疾病提供了一個安全有效的途徑。
RVG肽;血腦屏障;腦靶向;多聚物;納米載體;蛋白質;核酸
腦部的靶向給藥系統(targeting drug delivery system, TDDS)是一種特異性地將藥物濃集于腦部的藥物載體系統。典型的TDDS需具備幾個特征:腦部轉運的血腦屏障(blood-brain barrier, BBB)通透性、腦靶向性、生物安全性等特點。目前研究的TDDS主要分為大分子載體(蛋白類載體[1-2]和聚合物載體[3])、粒性載體(納米粒子[4]、脂質體等[5-6])和前藥[7]等3類。這些載體各有利弊,為進一步提高載體通透BBB的效率和神經系統的選擇性,近年來開發了新型的藥物遞送載體。
自然界存在對神經細胞具有高度選擇性的蛋白質。我們及同行實驗室目前已證明,狂犬病毒衣殼糖蛋白(rabies virus glycoprotein, RVG)中的多肽序列,可作為一種安全高效的腦靶向載體。在動物體內,RVG多肽片段顯示出明顯的嗜神經性、易穿過BBB和非侵入性的給藥方式,從而得到廣泛的認可。RVG肽可與多種生物分子連接,攜帶物質快速進入腦內,在生物分子的入腦轉運中顯示出明顯的優勢。
RVG是唯一暴露在狂犬病毒膜外的一種結構蛋白,成熟糖蛋白由505個氨基酸組成,長約8~10 nm,相對分子質量為67 ku[8],分為3個區域:膜外區(C1-C439)、跨膜區(C440-C461)和膜內區(C462-C505)(Fig 1)[9]。RVG也是一種重要的功能蛋白,在狂犬病毒的致病和免疫中起著關鍵作用,是狂犬病毒主要的保護性抗原,能夠刺激機體產生中和抗體,引發機體抵抗病毒感染[8]。RVG作為病毒與宿主細胞結合的配體,介導病毒膜與細胞內囊膜融合,從而使病毒侵入細胞。同時,它也是病毒主要的神經性致病因子,在狂犬病毒的神經嗜性、神經侵襲性及神經功能損傷中發揮重要作用[10]。

Fig 1 The schematic drawing of rabies virus glycoprotein[9]
依照病毒能夠進入神經系統的這一策略,將其用于轉運治療分子進入大腦。研究表明[11],RVG不僅可以使狂犬病毒侵入神經細胞,還能夠攜帶其他病毒經突觸逆行轉移進入中樞神經系統(central nervous system, CNS)。RVG與其內源性受體結合后,通過受體介導的轉胞吞(receptor-mediated transcytosis, RMT)機制進入神經細胞[12]。RVG中有3個多肽片段是RVG毒性和受體特異性結合的關鍵序列,分別位于RVG的30~56(VEDEGCINLSGFSYMELK)、189~214(CDIFTNSRGKRASNGNKTCGFVDERGL)和330~357(KSVRTWNEIIPSKGCLKVGGRCHPHVNGV)序列中[13]。將這些區域進行改造后,可得到中樞神經細胞受體特異性、無免疫反應的RVG衍生肽段(RVG-derived peptide, RDP)。這些來源于RVG的多肽序列似乎具有RVG的某些特征,可與神經細胞特異性結合。基于RVG肽及衍生肽的嗜神經性,被用于生物大分子神經選擇性攝取及腦靶向載體已經展開了深入的研究(Fig 2)。
RVG肽與蛋白質通過基因重組技術共價結合形成的融合蛋白,是目前使用較為廣泛的結合方式。研究表明,RVG肽與增強綠色熒光蛋白(EGFP)通過基因重組形成RVG-EGFP融合蛋白,可以能量依賴的方式選擇性地進入神經細胞[14]。與其他細胞穿透肽(TAT、Tet1)相比,神經細胞對RVG-EGFP的攝取效率是TAT-EGFP的9倍,是另一種細胞穿透肽Trt10EGFP的27倍。機制研究表明,RVG-EGFP以γ-氨基丁酸(GABA)受體依賴和網格蛋白介導的內吞途徑進入神經細胞。

Fig 2 The schematic drawing of RVG peptide as a brain targeting vector
將RVG肽與治療性蛋白GDNF或BDNF連接后,可攜帶后者穿過血腦屏障,并發揮疾病治療的作用[15]。此外,RVG肽與p53融合蛋白可以特異性抑制神經腫瘤細胞的生長[16]。該融合蛋白可以被SH-SY5Y細胞、U251細胞等神經腫瘤細胞明顯攝取并發揮抑制作用,而在非神經瘤細胞內沒有明顯攝取,這為蛋白類藥物對神經系統腫瘤的治療提供了可能。
將RVG中29個氨基酸的短肽(189~214片段CDIFTNSRGKRASNGNKTCGFVDERGL)與九聚D-精氨酸肽結合組成嵌合肽RVG-9R,與一定比例的siRNA在室溫下孵育后,形成RVG-9R/siRNA復合物[17-18]。細胞實驗中,復合物以能量依賴的方式進入神經細胞,在細胞中siRNA發揮作用敲除gfp報告基因;動物實驗中,復合物經靜脈注射小鼠后,RVG-9R攜帶抗病毒siRNA靶向性進入中樞神經系統,在腦內進行基因治療,且重復給藥不會產生毒性和耐受性。
單獨的RVG肽雖然可攜帶大分子物質進入神經細胞,但為提高核酸的細胞內轉運效率和增加其制劑的可控性,近年來將RVG肽與聚乙酰亞胺(PEI)、PAMAM和殼聚糖等多聚物結合形成組合物,其中在生理條件下帶正電荷的多聚物用來結合核酸,而RVG肽賦予多聚物靶向性并增加細胞通透性,協同發揮作用,將藥物特異性轉運至神經細胞中。
5.1 RVG肽與PEI形成組合物作為核酸轉運載體 聚合物常作為siRNA和DNA的轉運載體,尤其是可生物降解、無細胞毒性的含二硫鍵的聚合物[19]。陽離子聚合物,例如PEI是一種優良的基因傳遞載體:轉導效率較高、免疫反應較低、可誘導核酸從內吞體逃逸等[20]。在分支型的PEI分子主干上引入二硫鍵(SSPEI),可以增加生物相容性和血液循環時間,并且改善內源性酶對SSPEI聚合物的降解能力[21]。SSPEI通過二硫鍵結合形成的多聚物具有良好的生物可降解性,并能夠有效轉載和釋放所攜帶的核酸。將該多聚物與含有雙功能官能團的聚乙二醇(NHS-PEG-MAL)一側的NHS基團連接,RVG肽與另一側的MAL基團結合形成具有較好的血清穩定性和有效的配位能力的BPEI-SS-PEG-RVG組合物。與一定濃度的質粒DNA孵育后,組合物攜帶DNA能夠通過血腦屏障,并選擇性在腦內進行基因表達[21]。
為進一步提高入腦效率,聯用甘露醇暫時開放血腦屏障[22],以促進RVG-SSPEI低聚物介導的miRNA向腦細胞的轉運[23]。將Cy5.5熒光標記的miR-124a和RVG-SSPEI按一定比例孵育形成Cy5.5-miR-124a/RVG-SSPEI復合物。經小鼠尾靜脈注射后,RVG-SSPEI聚合物能夠特異性將miR-124a轉運至神經細胞,后者僅能在腦部積累,提示該傳遞系統具有腦靶向性。此外,調節miR-124a/RVG-SSPEI的大小和甘露醇的用量,miR-124a可在腦內達到最高的有效濃度。
5.2 RVG肽與聚酰胺樹狀分子形成組合物靶向腦內轉運DNA 聚酰胺樹狀分子PAMAM也是一類DNA轉染試劑。球形的聚合物結構可以有效包封DNA。將PAMAM與NHS-PEG-MAL共價連接以提高載體的水溶性和生物相容性[24],然后將RVG肽鍵合在其表面,與DNA結合后形成PAMAM-PEG-RVG29/DNA納米粒(NPs)[25]。在體外BBB模型中,PAMAM-PEG-RVG29/DNA NPs比PAMAM/DNA NPs有更高的BBB穿透效率。體內成像表明,與PAMAM/DNA NPs相比,PAMAM-PEG-RVG29/DNA NPs可濃集于大腦,并且DNA在腦部的表達水平也明顯提高,說明PAMAM-PEG-RVG29能夠有效向腦內靶向傳遞DNA,其機制可能是腦毛細血管內皮細胞網格蛋白和質膜微囊以能量依賴的受體介導的內吞方式。進一步研究表明,靶向受體除與NAchR有關外[3],還可能與B亞型GABA受體有關[19]。
5.3 RVG與殼聚糖形成組合物靶向腦內轉運siRNA 殼聚糖是一種多糖類的DNA和siRNA轉染試劑[26],其衍生物三甲基殼聚糖(N-trimethyl chitosan chloride, TMC)具有更高的水溶性和絡合siRNA的能力[27]。TMC與siRNA結合后能夠以吸收介導的轉胞吞作用(absorptive-mediated transcytosis, AMT)的方式轉運至細胞[28],與PEG的連接可提高生物安全性和延長作用時間,而與RVG的偶聯可使其具有靶向性。Gao等[29]嘗試兩種方法得到與siRNA結合的TMC-PEG-RVG復合物: 一種方法是TMC-PEG與RVG肽共價結合,然后加載siRNA形成納米顆粒(TRs);另一種方法是TMC-PEG先加載siRNA形成納米顆粒,再在表面共價結合RVG肽(TsR)。理化性質研究表明,TRs結構較大(>200 nm),易受巨噬細胞的吞噬,而TsR大小為(135±7) nm,ζ電位為(10.9±1.1) mV,并且與siRNA有良好的結合能力。體內外的實驗結果證實,在siRNA/TMC-PEG-RVG復合物中,RVG肽具有腦靶向作用,PEG能增加血清穩定性以及循環時間,并且TMC對siRNA產生有效的密封,最終將siRNA特異性傳送到腦部,并抑制特定基因的表達。
6.1 蛋白質載體 泊洛沙姆納米載體能夠傳送治療蛋白,并在傳送及釋放的過程保持蛋白分子生物活性,是一種良好的蛋白轉運工具[30]。用單相光聚合作用合成納米載體,表面加載殼聚糖以增加生物安全性,然后再將RVG29-Cys通過MAL-PEG-NC的MAL基團與RVG29-Cys的硫醇基之間的特定反應結合到納米載體上[31]。以β-半乳糖苷酶作為模型蛋白,通過酶活性實驗分析各種納米載體傳送到重要器官和腦的β-半乳糖苷酶含量。結果表明,RVG29-Cys和殼聚糖結合的納米載體能夠有效地傳送β-半乳糖苷酶穿過BBB,并在腦部保持生物活性。RVG肽和殼聚糖的協同效應明顯增強了β-半乳糖苷酶在腦部的相對療效并提高了累積時間。這種轉運載體是向腦內轉運蛋白質的另一種方法。
6.2 基因載體 修飾RVG肽的聚乙丙交酯(PLG)納米顆粒可包載治療基因,實現神經母細胞瘤靶向遞送[32]。RVG肽修飾納米粒子能夠在體外和體內特異性靶向神經母細胞瘤。載有熒光探針的RVG-修飾的納米顆粒可用于檢測攜帶神經母細胞瘤的小鼠模型中的腫瘤位點,并且包封治療性基因(siMyc、siBcl-2和siVEGF)納米粒明顯抑制模型小鼠腫瘤生長。此外,RDP修飾的金納米簇(AuNCs)可用于長期、無毒的體外神經細胞成像和小鼠腦部的靶向成像[33]。細胞附著和神經細胞攝取機制的研究表明,該RDP-AuNCs的細胞攝取方式為網格蛋白受體介導,通過網格蛋白小體的內吞作用。對AuNCs的表面改性可提高細胞的選擇性,并且其在生物成像中的應用將對疾病的治療和診斷具有重要意義。
7.1 siRNA載體 脂質體是由單個或多個脂質雙分子層形成的球狀囊泡,具有高度的生物相容性、高的傳遞效率和易于進行表面修飾等特點[5,34]。Tao等[35]用DSPE、膽固醇和DSPE-PEG-Mal按一定比例形成脂質體,將RVG肽結合到脂質體表面得到空白脂質體,再將siRNA嵌入脂質體的核心,形成粒徑在100~200 nm的顆粒。脂質體中,DSPE磷脂作為脂質體的雙分子層,膽固醇使脂質膜具有適合的通透性和流動性,DSPE-PEG-Mal散布在磷脂雙分子層表面形成一個PEG殼。這個衣殼能夠產生靜電作用、維持空間穩定性并連接RVG肽。活體成像和冰凍切片結果顯示,RVG-脂質體能夠穿過血腦屏障并濃集于腦部。這種靶向性的中空脂質體可能是向腦內傳遞水溶性藥物的有前景的方法。
7.2 小分子化合物轉運載體 RVG肽修飾的脂質體除可以轉運生物大分子入腦外,還可加載其他藥物進行腦部疾病的治療。RVG肽修飾的脂質體分別加載姜黃素、釕配合物等抗腫瘤藥物后,可對神經瘤細胞產生明顯的抑制作用[36]。RVG修飾的載體對神經細胞膜穿透效率明顯,在小鼠模型中,可有效穿過血腦屏障,實現藥物的腦部傳送。
RVG肽作為一種腦靶向載體可以直接用于生物分子的傳遞。為了改善載藥效率,將RVG肽與聚合物分子形成組合物及納米粒子載體。這些聚合物分子有PEI、聚酰胺樹狀分子等,其具有生物相容性、可降解、無細胞毒性、易于修飾等特點。這類靶向系統可廣泛用于小分子化合物、siRNA、miRNA和蛋白質的傳遞,還可用于加載納米粒和脂質體制成腦靶向制劑。然而,RVG肽作為腦靶向載體還存在嗜神經機制、血腦屏障通透機制、入胞過程、體內代謝等尚不完全明確的問題,同時,如果解決該靶向肽受到免疫系統威脅的問題,可以達到更為理想的靶向效果。因此,后續研究在拓寬RVG腦靶向載體種類、治療分子種類的同時,還需要進行更深入的機制研究。此外,神經系統腫瘤具有神經系統的某些特征,所以RVG肽在靶向神經系統腫瘤方面值得研究。總之,RVG肽的腦靶向給藥系統有良好的應用前景。
[1] Boado R J,Zhang Y,Wang Y,et al.Engineering and expression of a chimeric transferrin receptor monoclonal antibody for blood-brain delivery in the mouse[J].BiotechnolBioeng,2009,102(4):1251-8.
[2] Fu A,Zhou Q H,Hui E K,et al.Intravenous treatment of experimental Parkinson′s disease in the mouse with an IgG-GDNF fusion that penetrates the blood-brain barrier[J].BrainRes,2010,1352:208-13.
[3] Yan H,Wang L,Wang J,et al.Two-order targeted brain tumor imaging by using an optical/paramagnetic nanoprobe across the blood brain barrier[J].ACSNano,2012,6:410-20.
[4] Zhang S,Kucharski C,Doschak M R,et al.Polyethylenimine-PEG coated albumin nanoparticles for BMP-2 delivery[J].Biomaterials,2010,31(5):952-63.
[5] Schafer J,Hobel S,Bakowsky U,et al.Liposome-polyethylenimine complexes for enhanced DNA and siRNA delivery[J].Biomaterials,2010,31(26):6892-900.
[6] Partdridge W M.Tyrosine hydroxylase replacement in experimental Parkinson’s disease with transvascular gene therapy[J].NeuroRx,2005,2(1):129-38.
[7] 朱世璟,袁 媛,尹華陽,等.銀杏內酯B前體藥物的腦靶向性研究[J].中國藥理學通報,2015,31(4):542-9.
[7] Zhu S J,Yuan Y,Yin H Y,et al. Brain targeting research of ginkgolide B prodrug[J].ChinPharmacolBull,2015,31(4):542-9.
[8] Mazarakis N D,Azzouz M,Rohll J B,et al. Rabies virus glycoprotein pseudotyping of lentiviral vectors enables retrograde axonal transport and access to the nervous system after peripheral delivery[J].HumMolGenet,2001,10(19):2109-21.
[9] Ross B A,Favi C M,Vásquez V A.Rabies virus glycoprotein: structure, immunogenicity and pathogenic role[J].RevChilInfectol,2008,25(2):14-8.
[10]Yan X,Mohankumar P S,Dietzschold B,et al.The rabies virus glycoprotein determines the distribution of different rabies virus strains in the brain[J].JNeuroVirol,2002,8(4):345-52.
[11]Marissen W E,Kramer R A,Rice A,et al.Novel rabies virus-neutralizing epitope recognized by human monoclonal antibody: fine mapping and escape mutant analysis[J].JVirol,2005,79(8):4672-8.
[12]Lentz T L,Burrage T G,Smith A L,et al.Is the acetylcholine receptor a rabies virus receptor[J]?Science,1982,215(4529):182-4.
[13]付愛玲,趙保全.中樞神經系統疾病治療新技術——蛋白質和核酸的入腦轉運[M].重慶:西南師范大學出版社,2012.
[13]Fu A L,Zhao B Q.Anewtechnologyforthetreatmentofcentralnervoussystemdiseases-proteinandnucleicacidintothebrain[M].Chongqing: Southwest China Normal University Press,2012.
[14]Fu A,Zhao Z,Gao F,et al.Cellular uptake mechanism and therapeutic utility of a novel peptide in targeted-delivery of proteins into neuronal cells[J].PharmRes,2013,30(8):2108-17.
[15]張苗苗,張恩齊,付愛玲,等.雙功能融合蛋白 RDP-BDNF 對東莨菪堿所致認知功能障礙小鼠學習記憶的影響[J].中國藥理學通報,2014,30(11):1569-74.
[15]Zhang M M,Zhang E Q,Fu A L,et al.Effect of bifunctional RDP-BDNF fusion protein on ability of learning and memory of cognitive dysfunction mice induced by scopolamine[J].ChinPharmacolBull,2014,30(11):1569-74.
[16]Wu J,Zhang E,Fu A.A novel cell-permeable RDP-p53 fusion protein for specific inhibition on the growth of cancerous neural cells[J].DrugDeliv,2016,23(7):2464-70.
[17]Kumer P,Wu H,McBride J L,et al.Transvascular delivery of small interfering RNA to the central nervous system[J].Nature,2007,448(7149):39-43.
[18]Mariana C,Liliana M,Clevio N,et al.Intravenous administration of brain-targeted stable nucleic acid lipid particles alleviates Machado-Joseph disease neurological phenotype[J].Biomaterials,2016,82:124-37.
[19]Jere D,Arote R,Jiang H L,et al.Bioreducible polymers for efficient gene and siRNA delivery[J].BiomedMater,2009,4(2):025020.
[20]Sonawane N D,Szoka F C,Verkman A S.Chloride accumulation and swelling in endosomes enhances DNA transfer by polyamine-DNA polyplexes[J].JBiolChem,2003,278(45):44826-31.
[21]Son S,Hwang D W,Singha K,et al.RVG peptide tethered bioreducible polyethylenimine for gene delivery to brain[J].JControlRelease,2011,155(1):18-25.
[22]Rapoport S I.Advances in osmotic opening of the blood-brain barrier to enhance CNS chemotherapy[J].ExpertOpinInvDrug,2001,10(10):1809-18.
[23]Hwang D W,Son S,Jang J,et al.A brain-targeted rabies virus glycoprotein-disulfide linked PEI nanocarrier for delivery of neurogenic microRNA[J].Biomaterials,2011,32(21):4968-75.
[24]Luo D,Haverstick K,Belcheva N,et al.Poly(ethylene glycol)-conjugated PAMAM dendrimer for biocompatible high-efficiency DNA delivery[J].Macromolecules,2002,35(9):3456-62.
[25]Liu Y,Huang R,Han L,et al.Brain-targeting gene delivery and cellular internalization mechanisms for modified rabies virus glycoprotein RVG29 nanoparticles[J].Biomaterials,2009,30(25):4195-202.
[26]Mao S,Sun W,Kissel T.Chitosan-based formulations for delivery of DNA and siRNA[J].AdvDrugDelivRev,2010,62(1):12-27.
[27]Dehousse V,Garbacki N,Colige A,et al.Development of pH-responsive nanocarriers using trimethylchitosans and methacrylic acid copolymer for siRNA delivery[J].Biomaterials,2010,31(7):1839-49.
[28]Wang Z H,Wang Z Y,Sun C S,et al.Trimethylated chitosan-conjugated PLGA nanoparticles for the delivery of drugs to the brain[J].Biomaterials,2010,31(5):908-15.
[29]Gao Y,Wang Z Y,Zhang J,et al.RVG-peptide-linked trimethylated chitosan for delivery of siRNA to the brain[J].Biomacromolecules,2014,15(3):1010-8.
[30]Choi W I,Kim Y H,Tae G.Controlled release of proteins from pluronic-based nano-carrier[J].MacromolRes,2011,19(6):639-42.
[31]Kim J Y,Choi W I,Kim Y H,et al.Brain-targeted delivery of protein using chitosan-and RVG peptide-conjugated, pluronic-based nano-carrier[J].Biomaterials,2013,34(4):1170-8.
[32]Jangwook L,Ju J E,Kyung L Y,et al.Optical imaging and gene therapy with neuroblastoma-targeting polymeric nanoparticles for potential theranostic applications[J].Small,2016,12(9):1201-11.
[33]Zhang E,Fu A.A new strategy for specific imaging of neural cells based on peptide-conjugated gold nanoclusters[J].IntJNanomed,2015,10:2115-24.
[34]Muthu M S,Kulkarni S A,Xiong J,et al.Vitamin E TPGS coated liposomes enhanced cellular uptake and cytotoxicity of docetaxel in brain cancer cells[J].IntJPharm,2011,421(2):332-40.
[35]Tao Y,Han J,Dou H.Brain-targeting gene delivery using a rabies virus glycoprotein peptide modulated hollow liposome: bio-behavioral study[J].JMaterChem,2012,22(23):11808-15.
[36]項松濤,趙 明,付愛玲,等.RDP多肽修飾的姜黃素隱形脂質體腦靶向作用的研究[J].中國藥理學通報,2015,31(8):1136-41.
[36]Xiang S T,Zhao M,Fu A L,et al.Brain targeting effect of PEGylated liposomes modified with RDP peptide[J].ChinPharmacolBull,2015,31(8):1136-41.
Advances of polypeptide fragment of rabies virus glycoprotein as a brain-targeting carrier
CHEN Li-gang,WU Jing,LUO Peng,FU Ai-ling
(SchoolofPharmaceuticalSciences,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China)
Polypeptide fragment of rabies virus glycoprotein (RVG) has become one of the most popular polypeptides in drug delivery field, because of its advantages of neurotropiam, penetration of blood-brain barrier and biosafety. Polypeptide fragment of RVG can directly deliver proteins and nucleic acids into brain. Additionally, when polypeptide fragment of RVG couples with drug-loading polymers, nanoparticles or liposomes, it can mediate the latters into brain. The application of the RVG polypeptide fragment provides a safe and effective approach for the treatment of brain diseases with biomolecules, such as chemicals, proteins. plasmids, siRNA, miRNA.
RVG peptide; blood-brain barrier; brain targeting; polymer; nanoparticle; protein; nucleic acid
2017-01-05,
2017-02-07
國家自然科學基金資助項目(No 81273416);教育部回國人員啟動基金[教外司留(2012)940號];新世紀優秀人才支持計劃
陳利剛(1991-),男,碩士生,研究方向:生物藥物篩選,E-mail:chenlg2014@email.swu.edu.cn; 付愛玲(1973-),女,博士,教授,研究方向:生物藥物,通訊作者, E-mail:fal@swu.edu.cn
時間:2017-4-24 11:19
http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20170424.1119.008.html
10.3969/j.issn.1001-1978.2017.05.004
A
1001-1978(2017)05-0607-05
R-05;R322.81;R341.6;R341.32;R373.9;R977.6