Приложения на аптамер в невронауките, част 4

PET е друг високоефективен образен метод, използван в клиничната диагностика, тъй като може да осигури томографска резолюция на всяка тъканна дълбочина.

PET сканирането, позитронно-емисионната томография, е медицинска технология за изображения, която може да се използва за откриване на функционалното и метаболитно състояние на различни органи и тъкани. През последните години PET сканирането също се използва широко за изследване на паметта.

Проучванията са установили, че PET сканирането може да открие метаболитната активност и кръвния поток в мозъка, които са тясно свързани с човешките когнитивни и паметови способности. PET сканирането може да се използва, за да се наблюдава дали има аномалии в области, свързани с познанието и паметта, и как те предават и обработват информация.

Прилагането на PET сканиране е позволило на учените да постигнат огромен напредък в изучаването на нервната система. Например, едно проучване установи, че мозъчният метаболизъм на по-възрастните хора е по-бавен от този на по-младите, което е една от основните причини, поради които възрастните хора изпитват загуба на памет и когнитивен спад. В допълнение, PET сканирането може да открие признаци на неврологични заболявания, като невродегенеративни заболявания и болестта на Алцхаймер. Това може да помогне на лекарите да диагностицират и лекуват тези заболявания рано, за да облекчат страданието на пациентите, доколкото е възможно.

Освен това, както разбираме, паметта е сложен нервен процес. Технологията за PET сканиране ни позволява да разберем по-добре процеса на формиране и запазване на паметта. Това ни помага да разработим по-добри методи за обучение на паметта, така че хората да могат по-добре да овладеят знания и умения.

В обобщение, използването на PET сканиране при изучаване на паметта ни предоставя по-изчерпателни данни и по-задълбочено разбиране. Чрез тази технология можем по-добре да разберем, оценим и подобрим паметта и когнитивните си способности, за да се адаптираме по-добре към социалното развитие и ежедневния живот. Вижда се, че трябва да подобрим паметта и Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola е традиционен китайски лекарствен материал, който има много уникални ефекти, един от които е да подобрява паметта. Ефикасността на Cistanche deserticola идва от многото активни съставки, които съдържа, включително танинова киселина, полизахариди, флавоноидни гликозиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка по различни начини.

Кликнете върху Know, за да подобрите краткосрочната памет

PET изобразяването се основава на радиоизотопи, излъчващи позитрони, като 13N, 18F, 11C, 64Cu, 124I и 68Ga. Флуорният изотоп (18F) често се използва поради благоприятния си полуживот от около 110 минути, производство без усилие, чист разпад и енергия с ниски емисии.

Що се отнася до MRI, най-важното предизвикателство за PET е да се проектират целево-специфични агенти [128]. За тази цел беше демонстрирано, че тромбиновият аптамер може да бъде фотохимично конюгиран с 3-азидо-5-нитробензил флуорид ([18F]ANBF) [70].

Също така, PETimaging на базата на 18F-маркирани аптамери е докладвано за протеини като тенасцин С [131], протеин тирозин киназа 7 [132] и EGF рецептор [133].

3.7.2. Диагноза

Рецепторният вариант III на епидермалния растежен фактор (EGFRvIII), който е онкогенен поради конститутивното си активиране, вместо да се регулира от лигандите на EGFR, повишава глиоматуморогенността и резистентността към лечение [134]. U87-EGFRvIII клетките, свръхекспресиращи EGFRvIII, се използват за получаване на ДНК аптамери, които променят скоростта на клетъчния растеж и повишават радиочувствителността [135].

Свързващата способност на аптамерите (U2, U8, U19 и U31) към U87-EGFRvIII беше потвърдена чрез поточна цитометрия и конфокален микроскопски анализ. Теаптамерът инхибира пролиферацията и метастазите на туморни клетки (U87) и повлиява сигналните събития след EGFR.

Също така, няколко варианта на този аптамер бяха разработени чрез серия от модификации. Докато съкращаването увеличава неговата специфичност, вмъкването на GCpairs в неговото стебло на фиби осигурява подобрена термична стабилност. Аптамери с пиренемодификации, идентифицирани с помощта на молекулярно докинг, повишават афинитета на аптамера към целевите молекули [136]. Освен това, 118Re-белязаният U2 демонстрира антитуморен ефект in vivo.

Тези обещаващи резултати насърчават приложението на U2 аптамера като нов терапевтичен агент в целеви системи за доставяне на лекарства [125]. По-голямата част от настоящите терапевтични средства са се провалили поради ниската специфичност на терапевтичния агент, който проявява нежелани ефекти.

Основната цел на таргетната терапия е да се повиши селективността на лекарствата и да се намалят "неприцелните" странични ефекти. Един подход за постигане на тази цел е чрез системи за доставяне на лекарства, използващи лиганди, специфични за заболяванията, като конюгати аптамер-лекарство (ApDC) [137].

Продигиозинът, произведен от бактерията Serratia marcescens, е цитотоксичен с противоракови и антималарийни свойства. Едно от неговите производни, продигиозин 25-C, има имуносупресивна активност. Аптамер, конюгиран с продигиозин, се насочва специфично към повърхностите на мозъчни ракови клетки.

С помощта на инструмент за молекулярно моделиране, дизайнерски софтуер Ascalaph, глутаматният рецептор и различни аптамери бяха оставени да взаимодействат в NVT ансамбъла за продължителност от 50 ns и при 310 K. От това симулационно изследване бяха идентифицирани пет кандидат аптамера въз основа на тяхната делта междумолекулна енергия (∆ INME). За да се потвърдят данните от симулацията, тези избрани аптамери бяха инкубирани с мозъчни ракови клетки и нормални мозъчни клетки поотделно.

Накрая, специфичният процент на свързване на всеки аптамер беше изчислен за двата типа клетки. Беше наблюдавано, че аптамери 8, 10, 11, 23 и 69 имат способността да насочват епитопи към всички мозъчни ракови клетки с висок афинитет и нисък ∆ INME. В допълнение, сред тях, аптамер 10 беше адсорбиран от мозъчни ракови клетки на високи нива и неговата адсорбция от нормални клетки беше драматично ниска [138].

Както бе споменато по-горе, основно ограничение на лечението на мозъчни разстройства е BBB, което ограничава навлизането на повечето малки молекули в мозъка. Необходимостта от тъканно-специфично насочване е друг ограничаващ фактор. Доставянето на лекарства до ключови засегнати области в мозъка е основен подход за ефективна терапия.

Трансферинът (Tf), присъстващ в мембраните на ендотелните клетки на BBB, позволява на молекулите да преминават през BBB [139–141]. В скорошно проучване аптамер, насочен към Tf рецептора (TfR), беше слят с аптамер, свързващ се с EpCAM (молекула на адхезията на епителната клетка), експресираща ракови клетки [142]. Аптамерният конюгат поддържа специфичност и демонстрира повишен афинитет на свързване за EpCAM и TfR.

Трансцитозата на тези аптамери през BBB беше потвърдена in vivo след 1-nmolinjection. Това проучване показа, че бифункционалните аптамерни химери могат да преодолеят BBB и имат потенциала да лекуват специфично мозъчни разстройства.

Използвайки подобна стратегия с частици, мезопорестите рутениеви [Ru (bpy) 2 (върх)] 2+ (RBT) наночастици (MRN) получиха функция за двойно насочване, която беше постигната от аптамера AS1411 (Apt) и Tf присаден върху повърхностите на MRN, което води до висок капацитет за зареждане с противоракови лекарства [143]. Тази наносистема RBT@MRN-SS-Tf/Apt позволява ефективно проникване на BBB от Tf и специфично насочване за убиване на глиомните клетки in vitro и in vivo.

Освен това, производството на реактивни кислородни видове (ROS) от [Ru (bpy) 2 (върх)]2+ индуцира апоптоза на глиомни клетки при лазерно облъчване, позволявайки фотодинамична терапия (PDT), за която е доказано, че увеличава периода на оцеляване.

Тези подходи за доставяне на лекарства показват, че насочването към TfR може да бъде успешно средство за преместване на товара през BBB и че аптамерните химери могат да бъдат ефективно използвани за тази цел за лечение на мозъчни тумори и други мозъчни заболявания на ЦНС. Малките интерфериращи РНК (siRNA) имат специфична за последователността способност за заглушаване на гени, което ги прави алтернативни терапевтични инструменти.

Въпреки това, доставянето на siRNA в целевите клетки е предизвикателство, като многобройни базирани на аптамер системи за доставяне на siRNA са разработени за повишаване на ефикасността на siRNA [66]. Специфично доставяне на STAT3 siPHK към GBM клетки се постига с помощта на химерен аптамер, състоящ се от siRNA, насочена към STAT3 (сигнален трансдюсер и активатор на транскрипция 3), конюгиран с Gint4.

Т аптамер, насочен към PDGFR (рецептор на тромбоцитен растежен фактор). STAT3 е ключов регулатор на подтипа на агресивния мезенхимален глиобластом. Доставянето на системата и заглушаването на STAT3 бяха определени в PDGFR-положителни GBM клетки. Показано е също, че химерната система намалява жизнеспособността и миграцията на клетките in vitro и инхибира туморния растеж и ангиогенезата in vivo [144].

Аптамерите могат да се прилагат за диагностика, тъй като те специфично се свързват с различни клетъчни линии на глиобластома в сравнение с други ракови клетъчни линии с Kds в диапазона 78–168 nM [63]. Семейство от ДНК аптамери беше избрано и оптимизирано за свързване на клетъчна линия на глиосаркома (K308), като се използва cell-SELEX [145].

Те имат Kd стойности в наномоларния диапазон, като най-високият афинитет аптамер (WQY-9) има Kd от 21 nM. WQY-9 беше силно селективен за K308 клетки и беше интернализиран от K308 при 37 ◦C. При тестване срещу вградени в парафин тъканни проби, съкратената версия на WQY-9 (WQY-9-B) оцветява 73% (11 от 15) проби от глиосаркома в сравнение със 17% от 12 нормални проби.

Случайна ДНК последователност оцветява съответно 13 и 20% от глиосаркома и нормални проби. РНК аптамер (H02) също беше избран от клетъчен SELEX, който свързва алфа-5-бета-1 интегрин и може да прави разлика между клетъчни линии на глиобластом и тъкани от туморни ксенотрансплантати, получени от пациенти, в цито- и хисто-флуоресцентни анализи [146].

По този начин има няколко аптамера с обещание за приложения за производство на по-ефективни инструменти за диагностика на глиосаркома. Някои от аптамерите са изброени в таблица 3.

4. Заключения и бъдеща перспектива

Страните с бързо застаряващо население ще бъдат изправени пред предизвикателства в бъдеще от нарастващ брой хора, засегнати от няколко невродегенеративни заболявания. До 2050 г. над два милиарда души ще бъдат на възраст над 60 години, а броят на хората над 80 години ще се утрои, от 137 милиона днес на 425 милиона.

Очаква се това увеличение на броя на възрастните хора да бъде придружено от пропорционално нарастване на броя на пациентите, засегнати от неврологични заболявания.

Очаква се също повишена честота на мозъчните тумори, тъй като честотата на рака нараства с възрастта и вероятно се влошава от намалената ефективност на възстановителните механизми в мозъка на възрастните хора.

Това нарастване на пациентите с неврологични заболявания и мозъчни тумори може да бъде намалено, ако се разберат факторите, които правят възрастните хора податливи на неврологични разстройства и механизмите на натрупване на протеини, увреждане на разграждането на агрегатите и смъртта на невронните клетки, и се разработят подходящи диагностики и лечения.

Следователно разбирането на фундаменталните основи на неврологичните заболявания и мозъчните тумори и тяхното въздействие върху стареенето ще идентифицира средствата за тяхната превенция или лечение и ще подобри качеството на живот на много хора в напреднала възраст.

Понастоящем антителата са основно средство за диагностика на молекулярни биомаркери на неврологични заболявания, особено за протеинови биомаркери. Въпреки това, антителата са скъпи за производство, имат вариации от партида до партида, което изисква обширен контрол на качеството и изискват съхранение в хладилник. Когато се използват терапевтично, антителата първо трябва да бъдат "хуманизирани", за да се избегне имунното отхвърляне.

Възможностите за диагностика и терапии могат да бъдат разширени с включването на аптамери, които са специфични за биомаркери на заболяването, и конструкции на аптамери, които могат да се използват за справяне с терапевтични предизвикателства.

Въпреки че аптамерите предоставят предимства и много нови възможности за диагностични и терапевтични приложения, тяхното представяне в съвременната диагностика и терапия е ниско.

В сравнение с антителата, аптамерите са сравнително наскоро открити молекули и тяхното развитие в одобрени диагностични и терапевтични средства ще отнеме време. В този преглед ние обобщихме наличните аптамери, използвани за диагностика и терапия, и ги изброихме с последователности и свойства в таблица 3.

Има обаче много повече потенциални цели за аптамери с връзки към неврологични заболявания, включително LRRK2, Parkin, PINK1, DRP-1, DJ-1, UBQLN2, C9orf72, NEK-1 и FAS.

С по-нататъшно оптимизиране на тяхната функция и стандартизиране на тяхната характеристика, приложението на аптамерите се очаква да набере скорост и да предостави много нови възможности в диагностиката и терапията в областта на невронауките.

Авторски принос: Всички автори са прочели и са се съгласили с публикуваната версия на ръкописа.

Финансиране: Тази статия е подкрепена от Съвета за научни и технологични изследвания на Турция (TÜB˙ITAK) 3501 (Програма за развитие на кариерата), номер на проект 119S845.

Изявление на институционалния съвет за преглед: Не е приложимо.

Изявление за информирано съгласие: Не е приложимо.

Изявление за наличност на данни: В това проучване не са създадени или анализирани нови данни. Споделянето на данни не се отнася за тази статия.

Конфликти на интереси: Авторите декларират липса на конфликт на интереси.

Референции

1. Рангел, А.Е.; Чен, З.; Ayele, ТМ; Heemstra, JM In vitro селекция на XNA аптамер, способен на разпознаване на малка молекула. ​​Nucleic Acids Res. 2018, 46, 8057–8068. [CrossRef] [PubMed]

2. Илгу, М.; Nilsen-hamilton, M. Aptamers in Analytics. Анализатор 2016, 141, 1551–1558. [CrossRef] [PubMed]

3. Ellington, AD; Szostak, JW In vitro селекция на РНК молекули, които свързват специфични лиганди. Nature 1990, 346, 818–822. [CrossRef][PubMed]

4. Робъртсън, DL; Joyce, GF Селекция in vitro на РНК ензим, който специфично разцепва едноверижна ДНК. Nature 1990, 344,467–468. [CrossRef] [PubMed]

5. Тюрк, С.; Gold, L. Систематична еволюция на лиганди чрез експоненциално обогатяване: РНК лиганди към ДНК полимераза на бактериофаг Т4. Science 1990, 249, 505–510. [CrossRef] [PubMed]

6. Слепи, М.; Blank, M. Aptamer Selection Technology и последните постижения. Mol. Там. Нуклеинови киселини 2015, 4, e223. [CrossRef]

7. Kang, K.-NN; Lee, Y.-SS РНК аптамери: Преглед на последните тенденции и приложения. Бъдещи тенденции в биотехнологията. 2013, 131, 153–169 [CrossRef]

8. Мунзар, JD; Ng, A.; Юнкер, Д. Дуплексни аптамери: История, дизайн, теория и приложение към биочувствителност. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 1390–1419. [CrossRef]9. Джан, Й.; Lai, BS; Юхас, М. Последните постижения в откриването и приложенията на аптамер. Молекули 2019, 24, 941. [CrossRef]

10. Джоу, Дж.; Rossi, J. Aptamers като целева терапия: Текущ потенциал и предизвикателства. Нац. Rev. Drug Discov. 2017, 16, 181–202 [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com