成果展示

肖乐辉课题组Nano Res.:碗状稠环分子对淀粉样多肽纤维化过程的有效调制和超分辨显微成像研究
2021-11-29

来源:NanoResearch 

背景介绍

阿尔兹海默症(Alzheimer's disease,AD)俗称老年痴呆,是老年人群中最常见的慢性神经退行性疾病。其早期临床表现为记忆障碍,随着病情的发展,患者继而出现语言障碍、情绪紊乱、运动障碍、视空间技能损害,甚至人格和行为改变等症状,严重影响社交、职业与生活,并使身体机能逐渐丧失,最终导致死亡。据世界卫生组织的统计数据,AD已成为现代社会中仅次于心血管病、癌症和脑中风的第四大杀手。然而,目前只有5个关于神经递质的AD药物得到FDA批准,而且这些药物仅能缓解AD症状,不能改善脑神经损伤的情况。因此,抑制多肽的聚集和诱导成熟纤维的解离对神经类疾病的治疗具有重要的生物医学意义。此外,实现对多肽纤维化过程的可视化,尤其是在高分辨率的条件下,对于纤维化机理的研究具有重要的指导意义。


成果简介


南开大学肖乐辉研究员团队和天津大学赵燕军教授、中山大学罗海彬教授利用罗丹明(Rhodamine B isothiocyanate,Rhb)对碗状稠环分子-碗烯(Corannulene,Cor)进行功能化,合成了小分子化合物Cor-Rhb(图1(a))。该小分子化合物与单独的Rhb分子相比具有较好的光物理特性,如:较低的占空比、较高的光子输出和充分的光学闪烁性等,这些光物理特性使得Cor-Rhb能够应用于超分辨成像研究。通过细胞毒性研究发现PC12细胞对Aβ1-40存在形态依赖的毒性效应。其中,Aβ1-40聚集物长度小于光学衍射极限时毒性更强(图1b)。此外,生物学研究表明Cor-Rhb在激光照射条件下对Aβ1-40的自组装具有较好的抑制作用并能促进成熟纤维的分解(图1(c))。综上,Cor-Rhb有望成为一种可以同时实现分子诊断和光触发治疗的多功能荧光探针。


图1 (a) Cor-Rhb的合成示意图。(b) Cor-Rhb对Aβ1-40聚集物进行超分辨成像的示意图。(c) Cor-Rhb在激光照射条件下对Aβ1-40自组装过程的调控示意图。


图文导读


通过单分子荧光显微成像实验在单分子水平上评估Cor-Rhb的荧光特性发现:Cor-Rhb具有较好的单分子荧光闪烁特性(如:较低的占空比、较高的光子数等),非常适合基于单分子定位的超分辨成像技术的研究。将Cor-Rhb与Aβ1-40纤维混合后,获得了与商用染料(ThT)染色类似的荧光成像结果。在Aβ1-40纤维的超分辨成像考察中,从纤维重构的超分辨荧光图像中测得的纤维直径为24±5 nm,接近Aβ1-40纤维的实际尺寸。与常规荧光图像相比,其空间分辨率大大提高。


图2 Cor-Rhb对Aβ1-40纤维的超分辨显微成像结果。(a-c)经ThT、Cor-Rhb和Rhb染色的Aβ1-40纤维的常规荧光图像。(d)和(e)Cor-Rhb、Rhb分别与Aβ1-40单体和纤维混合后的荧光光谱。(f)和(h)由Cor-Rhb染色的Aβ1-40纤维的常规荧光图像和重构的超分辨图像。(g)和(i)分别为(f)和(h)中与白线对应的强度分布图。

1-40纤维化过程遵循典型的成核生长机理,包括滞后阶段,快速增长阶段和平衡阶段三个阶段。通过ThT荧光探针监测Cor-Rhb对Aβ1-40纤维化过程的调控研究证明:Cor-Rhb在激光照射条件下与Cor相比具有更强的ROS产生能力。由于多肽的聚集密切依赖于分子间的疏水相互作用,亲水氧原子对多肽或纤维的氧化可以通过稳定水合状态降低其聚集能力。因此,Cor-Rhb经激光照射后产生的ROS通过共价作用结合至Aβ1-40聚集体和Aβ1-40纤维实现氨基酸残基的氧化修饰,在抑制Aβ1-40聚集和解聚Aβ1-40纤维中起重要作用。


图3 Cor-Rhb对Aβ1-40自组装过程的抑制作用。(a)和(b)在0、4、8和12时未经激光照射或经过激光照射的Aβ1-40纤维化过程的荧光图像。(c)和(d)在0、4、8和12时Cor-Rhb未经激光照射或经过激光照射后Aβ1-40纤维化过程的荧光图像。(e)在Aβ1-40未经和经过激光照射后,有无Cor-Rhb处理的ThT荧光强度随时间变化的曲线。(f)Cor-Rhb和Rhb对Aβ1-40纤维化过程的影响。(g)Cor-Rhb对Aβ1-40纤维化过程的剂量依赖性抑制作用。


图4 Cor-Rhb对Aβ1-40纤维的解聚作用。(a)Aβ1-40纤维的常规荧光图像,(b)Aβ1-40纤维与Cor-Rhb共混后未经激光辐照射孵育12 h后,(c)Aβ1-40纤维经激光照射30 min后再孵育12 h时的解聚效果,(d)Aβ1-40纤维与Cor-Rhb共混后经激光照射30 min后再孵育12 h时的解聚效果,。(e-h)分别为(a-d)的电镜表征结果。(I)经Cor-Rhb、Aβ1-40纤维、Aβ1-40单体与Cor-Rhb共混后经激光照射30 min和Aβ1-40纤维与Cor-Rhb共混后经激光照射30 min的细胞活性测试。(j)不同浓度Rhb、Cor-Rhb的细胞活性测试。


为了更好地了解Cor-Rhb与Aβ1-40相互作用的结构特征,对Aβ1-40与Cor-Rhb的复合物进行了亚微秒级分子动力学(MD)模拟。由MD模拟结果可知,在有Cor-Rhb存在时,Aβ1-40单体的构象更加稳定。在整个模拟过程中,Aβ1-40与Cor-Rhb结合稳定的主要驱动力是静电作用和范德华作用。通过MM-GBSA方法定量计算了Aβ1-40氨基酸残基对Aβ1-40与Cor-Rhb之间相互作用的贡献。在这些残基中,Arg5/Phe4(π-阳离子/π-π相互作用)、Ala21/Glu22/Val24(氢键作用)对总结合自由能的贡献最大。


图5 Aβ1-40与Cor-Rhb结合的分子动力学模拟研究。(a)Cor-Rhb与Aβ1-40的分子对接模式(I);Cor-Rhb与Aβ1-40结合60 ns后的稳定模式(II);Cor-Rhb与Aβ1-40结合后均方根误差、溶剂可及表面积和相互作用的能量(总势能、静电能和范德华相互作用)随时间变化的曲线III)。(b)Cor-Rhb与Aβ1-40与氨基酸残基的结合能。(c)基于分子动力学模拟结果进行氢键和π-阳离子/π-π相互作用分析。


作者简介


肖乐辉,男,南开大学化学学院研究员,博士生导师。主要围绕分子识别、动态示踪以及时空分辨测量在单分子、单颗粒层面开展研究工作。发展了具有单分子灵敏度的单颗粒显微测量技术用于疾病关联标志物的化学测量,开发了单颗粒三维取向测量显微成像技术用于纳米载体颗粒与磷脂膜相互作用动态观察,实现了纳米尺度化学反应过程的时空分辨测量。发表一作及通讯SIC论文70余篇,包括 J. Am. Chem. Soc.(2篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(4篇)、ACS Nano(3篇)、CCS Chem.(2篇)、Chem. Sci.(3篇)以及Anal. Chem.(20篇)等。2013年先后获湖南省科技厅杰出青年科学基金以及教育部新世纪优秀人才支持计划资助;2015年获国家自然科学基金优秀青年科学基金资助,霍英东青年教师奖;2016年入选南开大学百名青年学科带头人培养计划。目前担任《中国化学快报》青年编委。

课题组网址:https://www.xiaolhlab.cn/。


文章信息

Yuanyuan Ma, Zhongju Ye, Chen Zhang, Yanjun Zhao*, Hai-bin Luo* & Lehui Xiao*. Curved carbon photo-oxygenation catalysts for the suppression and nanoscopic imaging of β-amyloid peptides fibrillation.Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3927-5.




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