文献解读：PEGASOS透明化技术助力新型药物载体研发_abio生物试剂品牌网
PEGASOS用于检测载体在脑内的分布
随着全球人口老龄化进程的不断加速，脑相关疾病的发病率呈现显著上升趋势，已成为导致老年人死亡的主要病因之一。然而，当前医学界面临着一个严峻的挑战：尽管在相关领域投入了大量持续性的研究资金，但对于阿尔茨海默病（AD）等脑部疾病，仍然缺乏有效的缓解药物。造成这一现状的关键因素之一是血脑屏障的存在，它严重阻碍了许多针对中枢神经系统疾病的尖端疗法的应用。
基于此，西南大学的李�教授率领团队进行了深入的探索。他们以天然小分子药物为基础，对脂质纳米颗粒载体进行结构改造，使药物易于穿透血脑屏障。这种新型载体不仅能够高效递送治疗药物，还发挥载体本身的药物作用，对多种脑疾病模型产生了显著的治疗效果。
李�教授的这部分工作分别在去年和今年发表于期刊Nature Communication上，在这两篇文章中，都应用了PEGASOS组织透明化方法，对全脑进行成像，从而检测新型载体在大脑中的分布，并证实新型载体相比于已有载体的优越性。
接下来，具体介绍一下李�教授的工作，尤其是PEGASOS在其中的应用。
1、脑血流调控助力脂质纳米颗粒精准靶向脑部
天然小分子药物是指从自然界中提取或衍生得到的、分子量相对较小（通常小于1000道尔顿）且具有生物活性的化合物。这类药物主要来源于植物、微生物、海洋生物等天然资源，其化学结构多样，包括生物碱、黄酮类、萜类、苷类等多种类型。长春西汀是一种长春花叶中发现的吲哚生物碱长春碱的化合物，药理作用是对1 型脑磷酸二酯酶 （PDE1）的选择性抑制，这有助于维持或恢复生理性脑血管扩张，选择性增加区域脑血流，而不会显著影响全身血压，其被广泛用作脑血管疾病和认知障碍（如中风、老年痴呆和记忆障碍）的处方药或膳食补充剂。
2024年，西南大学李�团队从脑血流的调节和长春西汀的结构特征中汲取灵感，开发了一种创新的脑靶向递送系统，称为长春西汀衍生的可电离脂质纳米颗粒（vinpocetine-derived ionizable-liPIdoid nanoparticles, VIP），相关的研究“Regulation of cerebral blood flow boosts precise brAIn targeting of vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles”，发表在Nature Communications（IF2023 = 14.7）。
研究人员首先基于长春花生物碱的结构进行大量的分子设计与检测，发现新型可电离脂质（A5-B1-C4.2），以下简称VIP，在粒径大小，酸解离常数，以及增强血流方面均优于其他分子结构。
图1. 利用激光散斑的方法测量不同化合物引起的血流变化
研究显示，VIP除了可以增强脑血流量外，同时对多种脑部疾病存在治疗效果。以AD模型小鼠为例，给予以VIP为药物载体的VIP@siBACE1（β 位点淀粉样蛋白前体蛋白裂解酶 1，可以裂解淀粉样蛋白沉积，缓解AD症状），有效的缓解小鼠的行为缺陷以及减少淀粉样蛋白的沉积。从功能方面，证实了新型药物载体VIP的有效性。
图2. AD模型小鼠，基于VIP载体的药物VIP@siBACE1，相比其他药物载体组显著提升了AD小鼠物体识别行为测试表现。
最后，研究人员对新型载体携带mRNA药物的能力进行测试。相比于现在市场上主流的D-Lin-MC3-DMA（一种可电离的阳离子脂质, 是有效的药物递送载体，简称MC3），VIP具有更好的药物承载能力，同时对血脑屏障的渗透能力更强，促进药物更高效地吸收。在这里，作者使用PEGASOS方法进行组织透明化，获得3D全脑成像，并以此对比两种药物递送方法。由于携带的小型mRNA药物带有eGFP荧光标记，故可以从荧光分布的强度与广度比较两个药物载体的运载能力。成像结果发现VIP方法的递送效率高于传统的MC3方法。
图3. 透明化后，两种药物载体（MC3和VIP）自尾静脉进入小鼠体内，药物在大脑中的分布情况
2、小檗碱衍生型可电离脂质：同步解决核酸药物结构稳定性与脑靶向递送难题
上一篇文章中第一代新型药物载体VIP（血管内皮细胞靶向肽）通过调控脑微血管血流，在实现脑靶向药物递送方面展现出显著优势。然而，其单纯依赖静电相互作用的载药机制，在核酸药物的负载效率与结构稳定性方面仍存在一定局限性。值得注意的是，VIP中可电离脂质头基的结构设计尚具有优化空间，通过对其分子结构的合理修饰，有望进一步增强其对靶细胞的亲和力，从而提升药物的精准靶向递送效率。
基于此，李�教授团队以小檗碱 （BE）为结构基础，进行了第二代新型药物载体的改进开发。小檗碱是一种重要的异喹啉生物碱，通过植物提取或小檗碱氢化获得，具有良好的稳定性、生物利用度、安全性和治疗效果。此外，原小檗碱与多巴胺 D3 受体 （D3R）亲和力高，D3R在海马脑区（阿尔茨海默病高发脑区）以及脑垂体（脑感染与脑肿瘤高发脑区）分布广泛，以上种种因素使得小檗碱成为二代新型药物载体最有力的候选方案。相关研究“Berberine-inspired ionizable lipid for self-structure stabilization and brain targeting delivery of nucleic acid therapeutics”发表在Nature Communications上。
与第一代药物载体开发流程类似，首先以BE为结构基础进行多种化合物的合成及评测，发现A2-B13在粒径大小，酸解离常数，增强血流方面以及药物的内体逃逸方面均优于其他分子结构。
与第一代药物载体相比，第二代药物载体通过有机酸的酸碱对策略，进一步优化了BE结构的电中性特性。通过将BE与黄芩素（ST）进行络合，不仅有效维持了BE对DRD3的结合亲和力及其血脑屏障穿透能力，还显著提升了药物的递送效率。实验结果表明，与单独使用BE相比，BE-ST制剂在血浆峰浓度上实现了显著提升，同时药代动力学参数改善了1.73倍，为药物疗效的增强提供了有力支持。
图4. d图，注射BE-有机酸复合物(BE+ST;BE+EGCG;BE+CA)后 1 小时，带有荧光标记药物在体内和离体成像。e图，静脉内给药后 SD 大鼠 BE 和 BE-ST 的血浆浓度-时间曲线 。
在深入研究的基础上，科研团队进一步构建了小鼠疾病模型，通过系统性实验验证了BE-ST作为药物载体的卓越性能。研究从分子层面延伸至动物模型，全面揭示了第二代基于生物碱的LNP——(BE-ST)所具备的四大核心优势：
1. 显著提升核酸负载能力和稳定性：为药物递送提供了可靠保障；
2. 有效改善核酸药物的内体逃逸效率，并优化细胞内运输过程：确保药物能够精准到达作用靶点；
3. 通过体外和体内实验双重验证，证实优异的脑靶向能力：为中枢神经系统疾病的治疗开辟了新途径；
4. 保留原小檗碱生物碱的药理活性，与核酸药物产生显著协同效应：为联合治疗策略提供了有力支持。
这一系列发现不仅深化了我们对LNP载体的认识，更为新型药物递送系统的开发奠定了重要基础。
在这项工作中，PEGASOS透明化技术同样起到了重要的作用。下图显示的是BE-ST与现在市场上主流的D-Lin-MC3-DMA（一种可电离的阳离子脂质, 是一种有效的药物递送载体，MC3）在透明大脑中分布情况，明显看出BE-ST@eGFP mRNA的分布优于MC3@eGFP mRNA.
图5. 两种药物载体（MC3和BE-ST）自尾静脉进入小鼠体内，药物在PEGASOS透明化大脑中的分布情况。
总结
在新药的研发过程中，药物在组织中的分布情况是评价药物效果的重要指标。传统的研究方法，如切片染色，微透析等等手段，常常无法原位，整体地去观测药物在大脑中的作用范围。上面分享的两篇文章，利用PEGASOS组织透明化方法，展现了新型药物载体借助荧光标记手段，在大脑中的分布情况，为药物作用评价提供了新的方法与思路。
PEGASOS作为一种独特的透明化技术，其优势在于软硬组织都能透明，透明度高，荧光保护性好，操作简便，到目前为止，利用PEGASOS已发表了150+篇文献。
礼智生物科技代理的PEGASOS组织透明化试剂盒，使用简单，拥有大批客户。对透明化技术感兴趣的老师同学，欢迎联系我们（联系方式见文末）。
参考文献：
[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.
随着全球人口老龄化进程的不断加速，脑相关疾病的发病率呈现显著上升趋势，已成为导致老年人死亡的主要病因之一。然而，当前医学界面临着一个严峻的挑战：尽管在相关领域投入了大量持续性的研究资金，但对于阿尔茨海默病（AD）等脑部疾病，仍然缺乏有效的缓解药物。造成这一现状的关键因素之一是血脑屏障的存在，它严重阻碍了许多针对中枢神经系统疾病的尖端疗法的应用。
基于此，西南大学的李�教授率领团队进行了深入的探索。他们以天然小分子药物为基础，对脂质纳米颗粒载体进行结构改造，使药物易于穿透血脑屏障。这种新型载体不仅能够高效递送治疗药物，还发挥载体本身的药物作用，对多种脑疾病模型产生了显著的治疗效果。
李�教授的这部分工作分别在去年和今年发表于期刊Nature Communication上，在这两篇文章中，都应用了PEGASOS组织透明化方法，对全脑进行成像，从而检测新型载体在大脑中的分布，并证实新型载体相比于已有载体的优越性。
接下来，具体介绍一下李�教授的工作，尤其是PEGASOS在其中的应用。
1、脑血流调控助力脂质纳米颗粒精准靶向脑部
天然小分子药物是指从自然界中提取或衍生得到的、分子量相对较小（通常小于1000道尔顿）且具有生物活性的化合物。这类药物主要来源于植物、微生物、海洋生物等天然资源，其化学结构多样，包括生物碱、黄酮类、萜类、苷类等多种类型。长春西汀是一种长春花叶中发现的吲哚生物碱长春碱的化合物，药理作用是对1 型脑磷酸二酯酶 （PDE1）的选择性抑制，这有助于维持或恢复生理性脑血管扩张，选择性增加区域脑血流，而不会显著影响全身血压，其被广泛用作脑血管疾病和认知障碍（如中风、老年痴呆和记忆障碍）的处方药或膳食补充剂。
2024年，西南大学李�团队从脑血流的调节和长春西汀的结构特征中汲取灵感，开发了一种创新的脑靶向递送系统，称为长春西汀衍生的可电离脂质纳米颗粒（vinpocetine-derived ionizable-liPIdoid nanoparticles, VIP），相关的研究“Regulation of cerebral blood flow boosts precise brAIn targeting of vinpocetine-derived ionizable-lipidoid nanoparticles”，发表在Nature Communications（IF2023 = 14.7）。
研究人员首先基于长春花生物碱的结构进行大量的分子设计与检测，发现新型可电离脂质（A5-B1-C4.2），以下简称VIP，在粒径大小，酸解离常数，以及增强血流方面均优于其他分子结构。
图1. 利用激光散斑的方法测量不同化合物引起的血流变化
研究显示，VIP除了可以增强脑血流量外，同时对多种脑部疾病存在治疗效果。以AD模型小鼠为例，给予以VIP为药物载体的VIP@siBACE1（β 位点淀粉样蛋白前体蛋白裂解酶 1，可以裂解淀粉样蛋白沉积，缓解AD症状），有效的缓解小鼠的行为缺陷以及减少淀粉样蛋白的沉积。从功能方面，证实了新型药物载体VIP的有效性。
图2. AD模型小鼠，基于VIP载体的药物VIP@siBACE1，相比其他药物载体组显著提升了AD小鼠物体识别行为测试表现。最后，研究人员对新型载体携带mRNA药物的能力进行测试。相比于现在市场上主流的D-Lin-MC3-DMA（一种可电离的阳离子脂质, 是有效的药物递送载体，简称MC3），VIP具有更好的药物承载能力，同时对血脑屏障的渗透能力更强，促进药物更高效地吸收。在这里，作者使用PEGASOS方法进行组织透明化，获得3D全脑成像，并以此对比两种药物递送方法。由于携带的小型mRNA药物带有eGFP荧光标记，故可以从荧光分布的强度与广度比较两个药物载体的运载能力。成像结果发现VIP方法的递送效率高于传统的MC3方法。
图3. 透明化后，两种药物载体（MC3和VIP）自尾静脉进入小鼠体内，药物在大脑中的分布情况2、小檗碱衍生型可电离脂质：同步解决核酸药物结构稳定性与脑靶向递送难题
上一篇文章中第一代新型药物载体VIP（血管内皮细胞靶向肽）通过调控脑微血管血流，在实现脑靶向药物递送方面展现出显著优势。然而，其单纯依赖静电相互作用的载药机制，在核酸药物的负载效率与结构稳定性方面仍存在一定局限性。值得注意的是，VIP中可电离脂质头基的结构设计尚具有优化空间，通过对其分子结构的合理修饰，有望进一步增强其对靶细胞的亲和力，从而提升药物的精准靶向递送效率。
基于此，李�教授团队以小檗碱 （BE）为结构基础，进行了第二代新型药物载体的改进开发。小檗碱是一种重要的异喹啉生物碱，通过植物提取或小檗碱氢化获得，具有良好的稳定性、生物利用度、安全性和治疗效果。此外，原小檗碱与多巴胺 D3 受体 （D3R）亲和力高，D3R在海马脑区（阿尔茨海默病高发脑区）以及脑垂体（脑感染与脑肿瘤高发脑区）分布广泛，以上种种因素使得小檗碱成为二代新型药物载体最有力的候选方案。相关研究“Berberine-inspired ionizable lipid for self-structure stabilization and brain targeting delivery of nucleic acid therapeutics”发表在Nature Communications上。
与第一代药物载体开发流程类似，首先以BE为结构基础进行多种化合物的合成及评测，发现A2-B13在粒径大小，酸解离常数，增强血流方面以及药物的内体逃逸方面均优于其他分子结构。
与第一代药物载体相比，第二代药物载体通过有机酸的酸碱对策略，进一步优化了BE结构的电中性特性。通过将BE与黄芩素（ST）进行络合，不仅有效维持了BE对DRD3的结合亲和力及其血脑屏障穿透能力，还显著提升了药物的递送效率。实验结果表明，与单独使用BE相比，BE-ST制剂在血浆峰浓度上实现了显著提升，同时药代动力学参数改善了1.73倍，为药物疗效的增强提供了有力支持。
图4. d图，注射BE-有机酸复合物(BE+ST;BE+EGCG;BE+CA)后 1 小时，带有荧光标记药物在体内和离体成像。e图，静脉内给药后 SD 大鼠 BE 和 BE-ST 的血浆浓度-时间曲线 。在深入研究的基础上，科研团队进一步构建了小鼠疾病模型，通过系统性实验验证了BE-ST作为药物载体的卓越性能。研究从分子层面延伸至动物模型，全面揭示了第二代基于生物碱的LNP——(BE-ST)所具备的四大核心优势：
1. 显著提升核酸负载能力和稳定性：为药物递送提供了可靠保障；
2. 有效改善核酸药物的内体逃逸效率，并优化细胞内运输过程：确保药物能够精准到达作用靶点；
3. 通过体外和体内实验双重验证，证实优异的脑靶向能力：为中枢神经系统疾病的治疗开辟了新途径；
4. 保留原小檗碱生物碱的药理活性，与核酸药物产生显著协同效应：为联合治疗策略提供了有力支持。
这一系列发现不仅深化了我们对LNP载体的认识，更为新型药物递送系统的开发奠定了重要基础。
在这项工作中，PEGASOS透明化技术同样起到了重要的作用。下图显示的是BE-ST与现在市场上主流的D-Lin-MC3-DMA（一种可电离的阳离子脂质, 是一种有效的药物递送载体，MC3）在透明大脑中分布情况，明显看出BE-ST@eGFP mRNA的分布优于MC3@eGFP mRNA.
图5. 两种药物载体（MC3和BE-ST）自尾静脉进入小鼠体内，药物在PEGASOS透明化大脑中的分布情况。总结
在新药的研发过程中，药物在组织中的分布情况是评价药物效果的重要指标。传统的研究方法，如切片染色，微透析等等手段，常常无法原位，整体地去观测药物在大脑中的作用范围。上面分享的两篇文章，利用PEGASOS组织透明化方法，展现了新型药物载体借助荧光标记手段，在大脑中的分布情况，为药物作用评价提供了新的方法与思路。
PEGASOS作为一种独特的透明化技术，其优势在于软硬组织都能透明，透明度高，荧光保护性好，操作简便，到目前为止，利用PEGASOS已发表了150+篇文献。
礼智生物科技代理的PEGASOS组织透明化试剂盒，使用简单，拥有大批客户。对透明化技术感兴趣的老师同学，欢迎联系我们（联系方式见文末）。
参考文献：
[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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