Nat. Nanotechnol.：石墨烯量子點預防帕金森的α-共核蛋白病

【引言】

帕金森病是一種慢性的中樞神經系統退化性失調，會損害患者的動作技能、語言能力以及其他功能，其臨床表現主要包括靜止性震顫、運動遲緩、肌強直和姿勢步態障礙，同時患者可伴有抑郁、便秘和睡眠障礙等非運動癥狀。最近，不斷有證據表明帕金森病的發病機制與中腦中α-共核蛋白聚集體的積累和傳遞有密切的關系。然而，臨床上依然沒有抗聚集劑是實現帕金森病的有效治療。

【成果簡介】

近日，韓國首爾國立大學Byung Hee Hong教授課題組與約翰霍普金斯大學醫學院的Han Seok Ko教授合作，探索利用石墨烯量子點來抑制α-共核蛋白的纖維化聚集，并嘗試其與成熟的原纖維直接相互作用引發α-共核蛋白原纖維的解聚。研究表明，石墨烯量子點能夠穿透血腦屏障并有效抑制金森病中的α-共核蛋白形成纖維化聚集體。此外，石墨烯量子點在體外和體內均沒有明顯的體內毒性，有望成為治療帕金森病的臨床藥物。該成果以題為"Graphene quantum dots prevent α-synucleinopathy in Parkinson’s disease"發表在Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖1 石墨烯量子點對α-共核蛋白纖維化和纖維解體的影響

(a) 在有無石墨烯量子點條件下α-共核蛋白纖維化和纖維解體的示意圖；

(b) ThT熒光監測的α-共核蛋白纖維化動力學過程；

(c) 濁度測定監測的α-共核蛋白纖維化動力學過程;

(d) 在有無石墨烯量子點條件下α-共核蛋白纖維化后的TEM照片；

(e) ThT熒光監測的石墨烯量子點與預先形成的α-共核蛋白原纖維作用的動力學過程；

(f) 濁度測定監測的石墨烯量子點與預先形成的α-共核蛋白原纖維作用的動力學過程；

(g) α-共核蛋白纖維長度和每平方微米內α-共核蛋白纖維數目的統計;

(h) 石墨烯量子點作用條件下剩余α-共核蛋白原纖維的數目統計；

(i) 在有無石墨烯量子點條件下不同時間點時預先形成的α-共核蛋白原纖維的TEM照片；

(j) 不同時間點時α-共核蛋白原纖維斑點印跡分析的典型圖像;

(k) 不同時間點時α-共核蛋白原纖維的BN–PAGE 分析。

圖2 石墨烯量子點與成熟α-共核蛋白原纖維在解離過程中的相互作用

(a) 生物素化的石墨烯量子點與α-共核蛋白原纖維結合的TEM照片；

(b) 孵化1小時后在解離過程中α-共核蛋白原纖維平均寬度的統計；

(c) 通過¹H–¹⁵N HSQC 譜圖中得到的核磁化學位移差異；

(d) 石墨烯量子點與成熟α-共核蛋白原纖維間相互作用的時間過程動力學模擬；

(e) α -共核蛋白原纖維對照組和石墨烯量子點與成熟α-共核蛋白原纖維組的時間依賴譜圖；

(f) 由DSSP算法得到的時間依賴的二級結構圖；

(g) 有無石墨烯量子點條件下孵化7天后α-共核蛋白單體和原纖維的CD光譜；

(h) α-共核蛋白原纖維和石墨烯量子點解離的α-共核蛋白原纖維中二級結構含量。

圖3 石墨烯量子點對α-共核蛋白原纖維誘導神經元死亡，病理和體外傳遞影響

(a) 有無石墨烯量子點條件下用α-共核蛋白原纖維處理時TUNEL方法評估的神經元死亡情況；

(b) 有無石墨烯量子點條件下用α-共核蛋白原纖維處理時阿爾瑪藍方法評估的神經元死亡情況；

(c) 有無石墨烯量子點條件下用α-共核蛋白原纖維處理時LDH測定方法評估的神經元死亡情況；

(d) 磷酸化α-共核蛋白原纖維存在條件下的典型免疫印跡水平；

(e) 標準化至β-肌動蛋白的水平后SDS不溶性級分的量化；

(f) 抗體存在條件下典型的磷酸化α-共核蛋白免疫染色顯微照片；

(g) 標準化至PBS對照組后磷酸化α-共核蛋白免疫熒光強度的量化；

(h) 用于病理性α-共核蛋白傳播的微流體裝置示意圖;

(i) 添加α-共核蛋白原纖維14天后微流體裝置中磷酸化α-共核蛋白免疫染色神經元的典型圖片；

(j) 磷酸化α-共核蛋白免疫熒光強度的量化。

圖4 石墨烯量子點對體內α -共核蛋白誘導的病理學影響

(a) 在C57BL/6小鼠中注射預先形成的α-共核蛋白原纖維的注射坐標示意圖；

(b) 有無石墨烯量子點條件下在預先形成的α-共核蛋白原纖維半球注射黑質中典型的TH免疫組織化學圖像；

(c) 有無石墨烯量子點條件下預先形成的α-共核蛋白原纖維注射6個月后黑質中TH-和Nissl-陽性神經元的體視計數；

(d) 在預先形成的α-共核蛋白原纖維注射的紋狀體半球中典型的TH免疫組織化學圖像；

(e) 紋狀體中TH免疫陽性纖維密度的量化；

(f) 在氣缸測試中用前爪測量的行為缺陷評估；

(g) 通過掌握和下降的能力來評估行為缺陷；

(h) 在預先形成的α-共核蛋白原纖維注射的紋狀體和黑質半球中典型的免疫染色圖像；

(i) 在紋狀體和黑質中α-共核蛋白原纖維免疫反應神經元的量化；

(j) 注射預先形成的α-共核蛋白原纖維半球的中樞神經系統中的病理分布圖。

【小結】

本文報道了石墨烯量子點能夠有效地抑制帕金森病發病機制涉及的α-共核蛋白的纖維化聚集。而且，石墨烯量子點可以穿透血腦屏障以及其在體內長期沒有明顯毒性等特點使得石墨烯量子點成為治療帕金森病的潛在藥物。通過對石墨烯量子的適當修飾，還有望能夠開發用于治療蛋白異常聚集導致的神經性障礙的新型藥物。

文獻鏈接：Graphene quantum dots prevent α-synucleinopathy in Parkinson’s disease??(Nat. Nanotechnol. ，2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0179-y)

本文由材料人高分子和生物學術組Gaxy供稿，材料牛審核整理。材料牛網站專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員及行業從業員，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

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