Применение аптамеров в нейробиологии. Часть 4.

ПЭТ — еще один высокоэффективный метод визуализации, используемый в клинической диагностике, поскольку он может обеспечить томографическое разрешение на любой глубине ткани.

ПЭТ-сканирование, позитронно-эмиссионная томография, представляет собой технологию медицинской визуализации, которую можно использовать для определения функционального и метаболического статуса различных органов и тканей. В последние годы ПЭТ-сканирование также широко используется для изучения памяти.

Исследования показали, что ПЭТ-сканирование может выявить метаболическую активность и кровоток в мозге, которые тесно связаны с когнитивными способностями человека и памятью. ПЭТ-сканирование можно использовать для наблюдения за наличием отклонений в областях, связанных с познанием и памятью, а также за тем, как они передают и обрабатывают информацию.

Применение ПЭТ-сканирования позволило ученым добиться огромных успехов в изучении нервной системы. Например, одно исследование показало, что метаболизм мозга у пожилых людей медленнее, чем у молодых, что является одной из основных причин, почему пожилые люди испытывают потерю памяти и снижение когнитивных функций. Кроме того, ПЭТ-сканирование может выявить признаки неврологических заболеваний, таких как нейродегенеративные заболевания и болезнь Альцгеймера. Это может помочь врачам диагностировать и лечить эти заболевания на ранней стадии, чтобы максимально облегчить страдания пациентов.

Кроме того, как мы понимаем, память — это сложный нервный процесс. Технология ПЭТ-сканирования позволяет лучше понять процесс формирования и сохранения памяти. Это помогает нам разрабатывать более эффективные методы тренировки памяти, чтобы люди могли лучше усваивать знания и навыки.

Таким образом, использование ПЭТ-сканирования при изучении памяти дает нам более полные данные и более глубокое понимание. Благодаря этой технологии мы можем лучше понимать, оценивать и улучшать нашу память и когнитивные способности, чтобы лучше адаптироваться к социальному развитию и повседневной жизни. Видно, что нам необходимо улучшить память, а цистанхе пустынный может значительно улучшить память, потому что цистанхе пустынный — это традиционное китайское лекарственное средство, обладающее множеством уникальных эффектов, одним из которых является улучшение памяти. Эффективность Cistanche Deserticola обусловлена ​​множеством содержащихся в нем активных ингредиентов, включая дубильную кислоту, полисахариды, флавоноидные гликозиды и т. д. Эти ингредиенты могут способствовать здоровью мозга различными способами.

Нажмите «Знать», чтобы улучшить кратковременную память.

ПЭТ-изображение основано на использовании позитронно-эмиттерных радиоизотопов, таких как 13N, 18F, 11C, 64Cu, 124I и 68Ga. Изотоп фтора (18F) часто используется из-за его благоприятного периода полураспада около 110 минут, простоты производства, чистого распада и низкой энергии выбросов.

Что касается МРТ, то наиболее важной задачей ПЭТ является разработка агентов, специфичных для визуализации мишени [128]. С этой целью было показано, что аптамер тромбина можно фотохимически конъюгировать с 3-азидо-5-нитробензилфторидом ([18F]ANBF) [70].

Кроме того, сообщалось о ПЭТ-визуализации на основе 18F-меченных аптамеров для таких белков, как тенасцин C [131], протеинтирозинкиназа 7 [132] и рецептор EGF [133].

3.7.2. Диагностика

Вариант III рецептора эпидермального фактора роста (EGFRvIII), который является онкогенным из-за своей конститутивной активации, а не регулируется лигандами EGFR, повышает глиоматуморогенность и устойчивость к лечению [134]. Клетки U87-EGFRvIII, сверхэкспрессирующие EGFRvIII, были использованы для получения ДНК-аптамеров, изменяющих скорость роста клеток и повышающих радиочувствительность [135].

Способность аптамеров (U2, U8, U19 и U31) связываться с U87-EGFRvIII была подтверждена с помощью проточной цитометрии и анализа конфокальной микроскопии. Теаптамер ингибировал пролиферацию и метастазирование опухолевых клеток (U87) и влиял на сигнальные события, расположенные ниже EGFR.

Также было разработано несколько вариантов этого аптамера путем ряда модификаций. В то время как усечение повышало его специфичность, введение GCpair в его шпильку обеспечивало повышенную термическую стабильность. Аптамеры с пиреновыми модификациями, идентифицированные с помощью молекулярного докинга, повышают сродство аптамера к молекулам-мишеням [136]. Более того, U2, меченный 118Re, продемонстрировал противоопухолевый эффект in vivo.

Эти многообещающие результаты стимулируют применение аптамера U2 в качестве нового терапевтического агента в системах таргетной доставки лекарств [125]. Большинство современных терапевтических средств оказались безуспешными из-за низкой специфичности терапевтического агента, который проявляет побочные эффекты.

Основная цель таргетной терапии — повысить селективность препаратов и снизить «нецелевые» побочные эффекты. Одним из подходов к достижению этой цели является использование систем доставки лекарств с использованием лигандов, специфичных для заболевания, таких как конъюгаты аптамер-лекарство (ApDC) [137].

Продигиозин, продуцируемый бактерией Serratia marcescens, обладает цитотоксичностью и обладает противораковыми и противомалярийными свойствами. Одно из его производных, продигиозин 25-C, обладает иммуносупрессивной активностью. Аптамер, конъюгированный с продигиозином, специфически воздействует на поверхности клеток рака мозга.

Используя инструмент молекулярного моделирования, программное обеспечение Ascalaph, рецептор глутамата и различные аптамеры могли взаимодействовать в ансамбле NVT в течение 50 нс и при 310 К. В результате этого симуляционного исследования были идентифицированы пять кандидатов-аптамеров на основе их дельта-межмолекулярной энергии. (∆ ИНМЕ). Для подтверждения данных моделирования эти выбранные аптамеры инкубировали с клетками рака мозга и нормальными клетками мозга по отдельности.

Наконец, процент специфического связывания каждого аптамера был рассчитан для обоих типов клеток. Было замечено, что аптамеры 8, 10, 11, 23 и 69 обладают способностью нацеливать эпитопы на все клетки рака головного мозга с высоким сродством и низким ∆ INME. Кроме того, среди них аптамер 10 адсорбировался раковыми клетками головного мозга на высоких уровнях, а его адсорбция нормальными клетками была резко низкой [138].

Как упоминалось ранее, основным ограничением лечения заболеваний головного мозга является ГЭБ, который ограничивает попадание в мозг большинства малых молекул. Необходимость тканеспецифического нацеливания является еще одним ограничивающим фактором. Доставка лекарств в ключевые пораженные участки мозга является важным подходом для эффективной терапии.

Трансферрин (Tf), присутствующий на мембранах эндотелиальных клеток ГЭБ, позволяет молекулам пересекать ГЭБ [139–141]. В недавнем исследовании аптамер, нацеленный на рецептор Tf (TfR), был слит с аптамером, связывающимся с раковыми клетками, экспрессирующими EpCAM (молекула адгезии эпителиальных клеток) [142]. Конъюгат аптамера сохранял специфичность и демонстрировал повышенную аффинность связывания с EpCAM и TfR.

Трансцитоз этих аптамеров через ГЭБ был подтвержден in vivo после 1-нмолинъекции. Это исследование показало, что бифункциональные химеры аптамеров могут преодолевать ГЭБ и иметь потенциал для специфического лечения заболеваний головного мозга.

Используя аналогичную стратегию с частицами, мезопористые наночастицы рутения [Ru (bpy) 2 (наконечник)]2+ (RBT) (MRN) получили функцию двойного нацеливания, которая была достигнута с помощью аптамера AS1411 (Apt) и Tf был привит на поверхности MRN, что привело к высокой способности нагружать противораковые препараты [143]. Эта наносистема RBT@MRN-SS-Tf/Apt обеспечивает эффективное проникновение Tf в ГЭБ и специфическое нацеливание на клетки глиомы in vitro и in vivo.

Более того, продукция активных форм кислорода (АФК) с помощью [Ru (bpy) 2 (tip)]2+ индуцировала апоптоз клеток глиомы под воздействием лазерного облучения, что делает возможным фотодинамическую терапию (ФДТ), которая, как было показано, увеличивает период выживания.

Эти подходы к доставке лекарств демонстрируют, что нацеливание на TfR может быть успешным средством перемещения груза через ГЭБ и что химеры аптамеров могут быть эффективно использованы с этой целью для лечения опухолей головного мозга и других заболеваний головного мозга ЦНС. Малые интерферирующие РНК (миРНК) обладают способность подавлять гены, специфичные для последовательности, что делает их альтернативными терапевтическими инструментами.

Однако доставка миРНК в клетки-мишени оказалась сложной задачей, поскольку для повышения эффективности миРНК разрабатываются многочисленные системы доставки миРНК на основе аптамеров [66]. Специфическая доставка миРНК STAT3 в клетки GBM была достигнута с использованием химерного аптамера, состоящего из миРНК, нацеленной на STAT3 (преобразователь сигнала и активатор транскрипции 3), конъюгированной с Gint4.

Т-аптамер, нацеленный на PDGFR (рецептор фактора роста тромбоцитов). STAT3 является ключевым регулятором агрессивного подтипа мезенхимальной глиобластомы. Доставку системы и подавление STAT3 определяли в PDGFR-положительных клетках GBM. Было также показано, что химерная система снижает жизнеспособность и миграцию клеток in vitro и ингибирует рост опухолей и ангиогенез in vivo [144].

Аптамеры могут применяться для диагностики, поскольку они специфически связываются с различными линиями клеток глиобластомы по сравнению с другими линиями раковых клеток с Kds в диапазоне 78–168 нМ [63]. Семейство ДНК-аптамеров было выбрано и оптимизировано для связывания с клеточной линией глиосаркомы (К308) с помощью Cell-SELEX [145].

Они имеют значения Kd в наномолярном диапазоне, при этом аптамер с самым высоким сродством (WQY-9) имеет Kd 21 нМ. WQY-9 был высокоселективным в отношении клеток K308 и интернализовался K308 при 37 ◦C. При тестировании на образцах тканей, залитых в парафин, усеченная версия WQY-9 (WQY-9-B) окрашивала 73% (11 из 15) образцов глиосаркомы по сравнению с 17% из 12 нормальных образцов.

Случайная последовательность ДНК окрасила 13 и 20% образцов глиосаркомы и нормальных образцов соответственно. С помощью клеточного SELEX также был выбран аптамер РНК (H02), который связывает альфа-5-бета-1 интегрин и может различать клеточные линии глиобластомы и ткани от ксенотрансплантатов опухолей, полученных от пациента, в цито- и гистофлуоресцентных анализах. [146].

Таким образом, существует несколько аптамеров, которые могут быть использованы для создания более эффективных инструментов диагностики глиосаркомы. Некоторые из аптамеров перечислены в таблице 3.

4. Выводы и перспективы на будущее

В будущем страны с быстро стареющим населением столкнутся с проблемой увеличения числа людей, страдающих некоторыми нейродегенеративными заболеваниями. К 2050 году более двух миллиардов человек будут старше 60 лет, а число людей старше 80 увеличится втрое: со 137 миллионов сегодня до 425 миллионов.

Ожидается, что это увеличение числа пожилых людей будет сопровождаться пропорциональным увеличением числа пациентов, страдающих неврологическими заболеваниями.

Также ожидается рост заболеваемости опухолями головного мозга, поскольку заболеваемость раком увеличивается с возрастом и, возможно, усугубляется снижением эффективности механизмов восстановления в пожилом мозге.

Этот рост числа больных неврологическими заболеваниями и опухолями головного мозга можно было бы уменьшить, если бы были поняты факторы, повышающие предрасположенность пожилых людей к неврологическим расстройствам, механизмы накопления белка, нарушения деградации агрегатов и гибели нейронов, а также были разработаны соответствующие методы диагностики и лечения.

Таким образом, понимание фундаментальных основ неврологических заболеваний и опухолей головного мозга и их влияния на старение позволит определить средства их профилактики или лечения и улучшить качество жизни многих людей в пожилом возрасте.

Антитела в настоящее время являются основным средством диагностики молекулярных биомаркеров неврологических заболеваний, особенно белковых биомаркеров. Однако производство антител дорогое, они варьируются от партии к партии, что требует тщательного контроля качества, и они требуют хранения в холодильнике. При терапевтическом использовании антитела также необходимо сначала «очеловечить», чтобы избежать иммунного отторжения.

Возможности диагностики и лечения могут быть расширены за счет включения аптамеров, специфичных для биомаркеров заболеваний, и конструкций аптамеров, которые можно использовать для решения терапевтических задач.

Хотя аптамеры предоставляют преимущества и множество новых возможностей для диагностических и терапевтических применений, их представленность в современной диагностике и терапии невелика.

По сравнению с антителами аптамеры являются молекулами, открытыми сравнительно недавно, и их разработка в одобренные диагностические и терапевтические средства потребует времени. В этом обзоре мы суммировали доступные аптамеры, используемые для диагностики и терапии, и перечислили их с последовательностями и свойствами в Таблице 3.

Однако существует гораздо больше потенциальных мишеней аптамеров, связанных с неврологическими заболеваниями, включая LRRK2, Parkin, PINK1, DRP-1, DJ-1, UBQLN2, C9orf72, NEK-1 и FAS.

Ожидается, что при дальнейшей оптимизации их функций и стандартизации их характеристик применение аптамеров наберет обороты и предоставит множество новых возможностей в диагностике и терапии в области нейробиологии.

Вклад авторов: Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование: Эта статья поддержана Советом научных и технологических исследований Турции (TÜB˙ITAK) 3501 (Программа развития карьеры), номер проекта 119S845.

Заявление Институционального наблюдательного совета: Неприменимо.

Заявление об информированном согласии: Не применимо.

Заявление о доступности данных: В этом исследовании не было создано или проанализировано никаких новых данных. Обмен данными не относится к этой статье.

Конфликты интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Ссылки

1. Рангель А.Е.; Чен, З.; Айеле, ТМ; Хемстра, Дж. М. Выбор in vitro аптамера XNA, способного к распознаванию малых молекул. Nucleic Acids Res. 2018, 46, 8057–8068. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

2. Ильгу, М.; Нильсен-Гамильтон, М. Аптамерс в аналитике. Аналитик 2016, 141, 1551–1558. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

3. Эллингтон, AD; Шостак, Дж. В. Отбор in vitro молекул РНК, которые связывают специфические лиганды. Природа 1990, 346, 818–822. [Перекрестная ссылка][PubMed]

4. Робертсон, Д.Л.; Джойс, Г. Ф. Селекция in vitro фермента РНК, который специфически расщепляет одноцепочечную ДНК. Природа 1990, 344,467–468. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

5. Тюрк, К.; Голд, Л. Систематическая эволюция лигандов путем экспоненциального обогащения: лиганды РНК к ДНК-полимеразе бактериофага Т4. Science 1990, 249, 505–510. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

6. Слепой, М.; Бланк, М. Технология выбора аптамеров и последние достижения. Мол. Там. Нуклеиновые кислоты 2015, 4, e223. [Перекрестная ссылка]

7. Канг, К.-Н.Н.; Ли, Ю.-СС РНК-аптамеры: обзор последних тенденций и применений. Будущие тенденции Биотехнологии. 2013, 131, 153–169. [CrossRef]

8. Мунзар, доктор медицинских наук; Нг, А.; Юнкер, Д. Дуплексные аптамеры: история, конструкция, теория и применение к биосенсорству. хим. Соц. 2019, 48, 1390–1419. [Перекрестная ссылка]9. Чжан, Ю.; Лай, бакалавр наук; Юхас, М. Последние достижения в области открытия и применения аптамеров. Молекулы 2019, 24, 941. [CrossRef]

10. Чжоу Дж.; Росси, Дж. Аптамеры как таргетная терапия: текущий потенциал и проблемы. Нат. Преподобный Друг Дисков. 2017, 16, 181–202.[CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com