Cell | 额颞叶痴呆治疗新曙光——科学家成功研发大脑渗透性生物制剂

撰文 | 言笑

溶酶体 （lysosome） 是一种单层脂蛋白膜包被的囊状结构，内部液体呈酸性，含有多种酸性水解酶，可降解各种生物大分子，如蛋白质、脂质、糖原等。溶酶体贮积失调 （Lysosomal storage disorder, LSD ） 是一组遗传性代谢疾病，主要由编码溶酶体酶和其相关共因子的基因突变引起。通常每一种酶的缺陷将直接导致某一特定的生物大分子不能被正常降解而在溶酶体中贮积，其共同结果都是致使细胞功能失常，最终引发疾病，LSD患病率大约为1/7000。

LSD表明单一细胞器的多种失调方式都可以杀死细胞。但由于大部分失调方式都非常罕见，人们对其知之甚少，目前已知LSD至少包含50种不同的单基因遗传病，因此开发相关治疗方法更是难上加难。LSD治疗方法之一是用正常的酶替代患者体内功能缺失的酶，称之为酶替代疗法 （enzyme replacement therapy, ERT ） ，该疗法在人体多个组织都能发挥很好的作用，但其不能突破血脑屏障 （blood brain barrier, BBB ） ， 因而不能改善LSD引起的严重的神经功能缺陷。因此，LSD药物研发中，突破血脑屏障是关键。

2021年8月26日，来自美国Denali Therapeutics公司的Gilbert Di Paolo团队在Cell杂志在线发表了题为 Rescue of a lysosomal storage disorder caused by Grn loss of function with a brain penetrant progranulin biologic 的研究论文。 该团队研发了治疗LSD的生物制剂PTV:PGRN (protein transport vehicle : progranulin) ——通过转铁蛋白受体介导的胞转作用，将颗粒蛋白前体 （progranulin, PGRN） 穿过血脑屏障运入大脑，可以治疗由Grn基因缺失引起的LSD或额颞叶痴呆。

Grn 缺失 （Grn^-/-） 小鼠很好地复制了GRN相关额颞叶痴呆 （GRN-FTD） 的病理学特征 【1】 。该研究从Grn^-/-小鼠模型入手，通过靶向脂质组学和代谢组学分析了2月龄和13月龄Grn野生型 （Grn^+/+） 和Grn^-/- 小鼠大脑中的脂质代谢情况。研究人员发现，Grn^-/-小鼠大脑中多种类型的双 （单酰基甘油） 磷酸酯 （bis(monoacylglycero)phosphate, BMP） 显著减少 （包括BMP（22:6/22:6）和BMP（18:1/18:1）） ，而葡糖脑苷脂酶 （glucocerebrosidase, GCase） 的底物葡萄糖基鞘氨醇 （glucosylsphingosine, GlcSph） 异常增加。BMP主要富集在晚期内吞体或溶酶体中，调控溶酶体脂肪酶和胆固醇出入细胞质 【2-3】 ，提示 Grn^-/- 小鼠中BMP和GlcSph的变化很可能是由溶酶体缺陷引起的。

随后研究人员开始探究PGRN与BMP之间的关系。免疫荧光结果显示PGRN和BMP可以部分共定位于内溶酶体中。研究者随后进行了脂质体沉降实验 （liposome sedimentation assay） 来检测PGRN是否可以直接与BMP结合。在沉淀之前，将含有磷脂酰胆碱（PC）或补充有BMP（22:6/22:6）的PC的脂质体与重组人PGRN在中性（pH=7）或酸性（pH=4.5）环境中进行孵育。数据显示，PGRN仅在酸性环境中选择性地结合BMP脂质体。进一步分析发现，BMP能促进溶酶体的蛋白水解作用；同时，已有研究证明，BMP可以促进GCase的酶活性 【4】 ，说明PGRN通过BMP调控溶酶体功能——GRN缺失后，BMP减少，GCase活性降低，GlcSph增加。

那么是否可以设计一种策略对体内PGRN的缺失进行回补呢？该研究团队近期开发了一种可以穿过血脑屏障的转运载体系统 （BBB TV） ——其包含一个修饰的Fc结构域，可以与转铁蛋白受体 （TfR） 结合，进而增强大分子在中枢神经系统中的渗透率和药效性 【5-6】 。在该研究中，研究人员将huPGRN与修饰后的Fc结构域进行融合表达，命名为PTV:PGRN。通过检测发现PTV:PGRN可以显著增强大脑对PGRN的吸收能力。

PTV:PGRN是否可以治疗GRN缺失所引起的溶酶体缺陷和相关疾病表型？为了回答这一问题，在后续的实验中，研究人员从多方面进行了分析。首先，Grn^-/-BMDMs （bone-marrow-derived macrophages，骨髓来源的巨噬细胞） 可以吸收PTV:PGRN，并拯救Grn^-/- BMDMs中由溶酶体异常引起的免疫缺陷。随后，研究者在人GRN^-/- iPSC-derived microglia （iMG，诱导多功能干细胞转化的小胶质细胞） 中进行了相关实验。结果显示，PTV:PGRN可以修复GRN^-/- iMG中的溶酶体膜损伤。研究者对PTV:PGRN在体内的功能也进行了评估。无论静脉注射或腹腔注射，在大脑组织中均能检测到较高浓度的PTV:PGRN，而Fc:PGRN的浓度非常低，说明PTV:PGRN具有很强的血脑屏障渗透能力。进入大脑的PTV:PGRN可以纠正Grn^-/-；TfRmu/hu小鼠中枢神经系统中溶酶体脂质异常。最后，为了进一步提高PTV:PGRN的稳定性及适用性，研究人员设计并构建了C-端更稳定的PTV:PGRNv2。功能分析发现，腹腔注射PTV:PGRNv2可以拯救Grn^-/-；TfR^mu/hu小鼠中的溶酶体功能异常和病理学改变 （包括胶质细胞增生，脂褐质沉积和神经细胞损伤/丢失等） 。

总的来说， 该研究揭示了颗粒蛋白前体在溶酶体脂质代谢中的关键作用，包括 BMP 稳态、GCase活性的调节和GCase底物水平（即GlcSph），以及溶酶体膜完整性的保存；证明了脑渗透性PGRN生物制剂的外周给药在Grn缺失的临床前模型中是有效的，为GRN-FTD（额颞叶痴呆）的治疗提供了新途径；确定了候选临床生物标志物——脑脊液BMP和血浆GlcSph，有助于评估PTV:PGRN和其他疗法对GRN-FTD患者的治疗效果。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867421009442

制版人：十一

参考文献

[1] Kao, A.W., McKay, A., Singh, P.P., et al. (2017). Progranulin, lysosomal regulation and neurodegenerative disease. Nat. Rev. Neurosci. 18, 325–333.

[2] Gruenberg, J. (2020). Life in the lumen: The multivesicular endosome. Traffic 21, 76–93.

[3] McCauliff, L.A., Langan, A., Li, R., Ilnytska, O., et al. (2019). Intracellular cholesterol trafficking is dependent upon NPC2 interaction with lysobisphosphatidic acid. eLife 8, e50832.

[4] Abdul-Hammed, M., Breiden, B., Schwarzmann, G., et al. (2017). Lipids regulate the hydrolysis of membrane bound glucosylceramide by lysosomal β-glucocerebrosidase. J. Lipid Res. 58, 563–577.

[5] Kariolis, M.S., Wells, R.C., Getz, J.A., et al. (2020). Brain delivery of therapeutic proteins using an Fc fragment blood-brain barrier transport vehicle in mice and monkeys. Sci. Transl. Med. 12, eaay1359.

[6] Ullman, J.C., Arguello, A., Getz, J.A., et al. (2020). Brain delivery and activity of a lysosomal enzyme using a blood-brain barrier transport vehicle in mice. Sci. Transl. Med. 12, eaay1163.

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