EMBO Re︱DNA折纸术结合拓扑异构酶1抑制剂调节神经炎症
撰文︱Kenny
责编︱王思珍
制版︱查佳雪
神经炎症是许多中枢神经系统疾病的病理特征，在多发性硬化症，肌萎缩侧索硬化症（俗称渐冻症）和阿兹海默症等神经系统难治性疾病中广泛存在，而调控神经炎症能够有效地控制神经系统疾病的进展。髓系细胞（myeloid cells）是先天免疫系统中的重要组成部分，主要包括单核细胞、树突状细胞、巨噬细胞和中枢神经系统特有的常驻巨噬细胞即小胶质细胞，他们均表达一些髓系细胞标记物（如CD11b），且具有很多的功能相似性（如发挥抗原递呈、识别损失/病原相关分子、吞噬细胞碎片、参与炎症反应等功能），在一定程度上也能互相影响。越来越多的证据提示髓系细胞在中枢神经系统疾病的免疫病理过程中发挥着关键作用。最近的一项关于人类全基因组关联研究发现，多发性硬化症的多数易感基因在小胶质细胞中富集[1]。同样，肌萎缩侧索硬化症发现C9orf72 基因的突变是家族性肌萎缩侧索硬化症最常见的遗传原因，而C9orf72 基因在髓系细胞中高表达，且髓系细胞C9orf72基因的功能失调会扰乱中枢神经系统稳态并诱发中枢神经炎症[2,3]。由此可见，髓系细胞是调控神经炎症的重要靶细胞，而小胶质细胞作为中枢重要的神经炎症的调控者，是治疗神经系统疾病的重要靶细胞。小胶质细胞具有很强的可塑性，一方面能分泌炎症因子加重神经炎症过程，但同时也能在一定的条件刺激下减少炎症因子分泌，增强抗炎因子和神经营养因子的释放，并被重塑为促进炎症消退和组织修复的免疫表型。尽管如此，专门靶向和调控髓系细胞或小胶质细胞的免疫治疗手段并未得到足够的重视和开发。
2022年5月20日，来自瑞典卡罗林斯卡医学院Robert Harris课题组在EMBO Reports杂志上发表了题为“Myeloid cell-specific topoisomerase 1 inhibition using DNA origami mitigates neuroinflammation”的文章，他们通过分析人类小胶质细胞不同功能状态下的基因转录变化，展开了小分子药物筛选和再利用的研究，预测出喜树碱具有潜在的调节小胶质细胞功能状态的作用，并通过离体及在体验证，发现喜树碱的作用靶点DNA拓扑异构酶1（topoisomerase 1，TOP1）在神经炎性状态下高表达，而已上市的喜树碱衍生药物拓扑替康具有临床再利用于治疗神经炎症的潜力。通过结合DNA折纸术这一新型纳米载体，研究团队研发出能靶向髓系细胞调控神经炎症的新型髓系细胞特异性TOP1抑制剂，有望为神经炎症的治疗提供新的思路和工具。
（图源: http://www.epharmacognosy.com/2020/04/camptotheca-acuminata-decne.html）
喜树（Camptotheca acuminata）是一类中国南部特有的植物（图1），而喜树碱于1966年由科学家M.E. Wall和M.C. Wani从喜树中分离出来用于治疗各类癌症。美籍华裔科学家James C. Wang （王倬）于上世纪70年代首次发现DNA拓扑异构酶的存在并明确了喜树碱的作用靶点是TOP1。喜树碱能够与TOP1结合抑制TOP1对DNA转录复制过程中超螺旋结构的解旋，从而抑制特定基因的表达。由此开始，基于TOP1的机理研究和喜树碱衍生物的研发受到了更大的重视。毒性更低的喜树碱水溶性衍生药物拓扑替康和伊立替康等相继获得美国食品药品监督管理局批准上市（伊立替康于1996获批；拓扑替康2007年获批），用于临床上治疗卵巢癌、肺癌、大肠癌等。2016年美国西奈山伊坎医学院Ivan Marazzi课题组在Science杂志上发文首次发现抑制TOP1不仅在肿瘤治疗中有重要意义，同时对于如败血症引发的致命性系统性炎症反应能够有很强的抑制作用，该研究还发现喜树碱倾向于抑制炎症基因的表达但对非炎症基因的表达影响不大[4]。
（图源: Zhu et al., EMBO Rep, 2022）
在本研究中，研究人员利用Connectivity Map筛选出一批具有潜在调节小胶质细胞功能状态的小分子化合物和已临床上市的药物，其中喜树碱表现出最强的潜质（图2）。因此，作者首先验证了喜树碱的作用靶点TOP1在神经炎症性条件下是否存在表达失调的情况。结果发现，在炎性刺激激活下的小鼠原代小胶质细胞中TOP1的表达显著增高。同时，在多发性硬化实验性变态反应性脑脊髓炎（experimental autoimmune encephalomyelitis，EAE）模型小鼠中，TOP1在疾病高峰期的脊髓病理组织部位表达显著增加，并且主要与F4/80标记的巨噬细胞/小胶质细胞共标;而多发性硬化患者脑部组织切片染色也提示，在免疫细胞大量浸润的急性病灶部位TOP1的表达要高于患者正常脑白质区域和正常人脑（图3）。这一部分结果提示TOP1可能参与了神经炎症的进展。
图3 TOP1在多发性硬化EAE动物模型和多发性硬化患者急性病灶处表达上调。
（图源: Zhu et al., EMBO Rep, 2022）
随后，科研人员发现给予TOP1的抑制剂喜树碱和拓扑替康不仅能够抑制小胶质细胞和巨噬细胞的炎症反应，还能增加抗炎因子IL-10的表达。在多发性硬化EAE动物模型和脂多糖诱导的神经炎症模型中，给与拓扑替康能够显著改善临床症状和炎症反应（图4）。这一发现提示TOP1是神经炎症的一个重要治疗靶点，且拓扑替康有望被再利用于治疗多发性硬化等神经炎症。
图4 利用TOP1抑制剂拓扑替康能控制多发性硬化EAE动物模型的疾病进展。
（图源: Zhu et al., EMBO Rep, 2022）
图5 基于DNA折纸术设计的纳米结构。
（图源: Benson et al., Nature, 2015）
图6 本研究中使用的β-葡聚糖修饰的六棱柱型DNA纳米结构用于加载拓扑替康。
（图源: Zhu et al., EMBO Rep, 2022）
为了更好的将拓扑替康靶向递送到髓系细胞，以提高药物作用效率，并减少对于其他细胞的潜在毒副作用，研究团队结合DNA折纸技术设计了一个新型的纳米递送系统（图5），将拓扑替康装载到一个六棱柱型的DNA纳米结构中，并用β-葡聚糖（β-glucan）对纳米结构表面进行修饰，得到了一个能靶向作用于髓系细胞的TOP1抑制剂，并将其命名为TopoGami（图6）。DNA折纸术是一种新型的DNA自组装方法，具有结构精确可控、易于化学修饰和具有较好的生物兼容性等特点，但同时也存在容易被体内生物酶降解的缺陷，这也在一定程度上限制了其在体或临床前的转化应用（图5）。β-葡聚糖主要与C 型凝集素受体Dectin-1结合，而Dectin-1主要在髓系细胞中大量表达。该研究在六棱柱型的DNA纳米结构上用β-葡聚糖进行表面修饰，设计出的纳米递送系统（MyloGami）不仅能使其更特异性的与髓系细胞结合，同时也对DNA纳米结构的稳定性起到了保护作用，使其不容易被生物酶降解，起到了一石二鸟的作用（图6）。近期有研究表明DNA纳米结构本身对于巨噬细胞炎症反应起到一定的抑制作用，并且能诱导Ⅰ型干扰素β的产生，而Ⅰ型干扰素β可以起到炎症调节的作用并且也是早期批准的用于治疗多发性硬化的治疗制剂[6,7]。同样，本研究使用的六棱柱型纳米结构也能够抑制小胶质细胞炎症反应，而在结构中加载拓扑替康能进一步地增强其炎症调节作用。在体研究也证实，通过小脑延髓池将髓系细胞特异性的TOP1抑制剂TopoGami注射到小鼠脑脊液中也能显著的改善多发性硬化EAE动物模型的疾病进展。
卡罗林斯卡医学院博士研究生Keying Zhu为本文第一作者并通讯作者、Robert Harris教授为共同通讯作者。卡罗林斯卡医学院Björn Hogberg课题组、Claudia Kutter课题组，荷兰阿姆斯特丹自由大学医学中心Sandra Amor课题组和复旦大学基础医学院汪军课题组参与了本项研究。
Robert Harris教授（左）， Keying Zhu （右）
（照片提供自：卡罗林斯卡医学院Robert Harris实验室）
Robert Harris教授课题组介绍：Harris教授为卡罗林斯卡医学院副校长，长期从事神经系统疾病免疫机制以及免疫治疗手段的研究，课题组在Nature Immunology、Nature Medicine、Journal of Experimental Medicine、Nature Communications、Glia、Diabetes等国际一流学术期刊发表研究论文多篇。
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参考文献（上下滑动阅读）
1. International Multiple Sclerosis Genetics Consortium. Multiple sclerosis genomic map implicates peripheral immune cells and microglia in susceptibility. Science 365, (2019).
2. O’Rourke, J. G. et al. C9orf72 is required for proper macrophage and microglial function in mice. Science 351, 1324–1329 (2016).
3. McCauley, M. E. et al. C9orf72 in myeloid cells suppresses STING-induced inflammation. Nature 585, 96–101 (2020).
4. Rialdi, A. et al. Topoisomerase 1 inhibition suppresses inflammatory genes and protects from death by inflammation. Science 352, aad7993–aad7993 (2016).
5. Benson, E. et al. DNA rendering of polyhedral meshes at the nanoscale. Nature 523, 441–444 (2015).
6. Zhang, Q. et al. Anti-inflammatory and antioxidative effects of tetrahedral DNA nanostructures via the modulation of macrophage responses. ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 3421–3430 (2018).
7. Surana, S., Shenoy, A. R. & Krishnan, Y. Designing DNA nanodevices for compatibility with the immune system of higher organisms. Nat. Nanotechnol. 10, 741–747 (2015).
本文完