Aptamer aplikacije v nevroznanosti 4. del

PET je še ena zelo učinkovita slikovna metoda, ki se uporablja v klinični diagnostiki, saj lahko zagotovi tomografsko ločljivost na kateri koli globini tkiva.

PET skeniranje, pozitronska emisijska tomografija, je tehnologija medicinskega slikanja, ki se lahko uporablja za odkrivanje funkcionalnega in presnovnega stanja različnih organov in tkiv. V zadnjih letih se PET skeniranje pogosto uporablja tudi za preučevanje spomina.

Študije so pokazale, da lahko PET skeniranje zazna presnovno aktivnost in pretok krvi v možganih, ki sta tesno povezana s človeškimi kognitivnimi in spominskimi sposobnostmi. PET skeniranje se lahko uporablja za opazovanje, ali obstajajo nepravilnosti na področjih, povezanih s spoznavanjem in spominom, ter kako prenašajo in obdelujejo informacije.

Uporaba PET skeniranja je znanstvenikom omogočila izjemen napredek pri proučevanju živčnega sistema. Ena študija je na primer pokazala, da je metabolizem možganov starejših odraslih počasnejši kot pri mlajših odraslih, kar je eden od glavnih razlogov, zakaj starejši doživljajo izgubo spomina in kognitivni upad. Poleg tega lahko PET skeniranje odkrije znake nevroloških bolezni, kot so nevrodegenerativne bolezni in Alzheimerjeva bolezen. To lahko pomaga zdravnikom pri zgodnjem diagnosticiranju in zdravljenju teh bolezni, da čim bolj olajšajo trpljenje bolnikov.

Poleg tega, kot razumemo, je spomin kompleksen nevronski proces. Tehnologija skeniranja PET nam omogoča boljše razumevanje procesa nastajanja in ohranjanja spomina. To nam pomaga razviti boljše metode urjenja spomina, da lahko ljudje bolje obvladajo znanje in veščine.

Če povzamemo, nam uporaba PET skeniranja pri preučevanju spomina zagotavlja obsežnejše podatke in globlje razumevanje. S to tehnologijo lahko bolje razumemo, ovrednotimo in izboljšamo svoj spomin in kognitivne sposobnosti, da se bolje prilagodimo družbenemu razvoju in vsakdanjemu življenju. Vidimo, da moramo izboljšati spomin, in Cistanche deserticola lahko bistveno izboljša spomin, saj je Cistanche deserticola tradicionalno kitajsko zdravilno sredstvo, ki ima številne edinstvene učinke, eden od njih je izboljšanje spomina. Učinkovitost Cistanche deserticola izhaja iz številnih aktivnih sestavin, ki jih vsebuje, vključno s taninsko kislino, polisaharidi, flavonoidnimi glikozidi itd. Te sestavine lahko spodbujajo zdravje možganov na različne načine.

Kliknite Know za izboljšanje kratkoročnega spomina

PET slikanje temelji na radioizotopih, ki oddajajo pozitron, kot so 13N, 18F, 11C, 64Cu, 124I in 68Ga. Izotop fluora (18F) se pogosto uporablja zaradi njegove ugodne razpolovne dobe približno 110 minut, proizvodnje brez napora, čistega razpada in nizke emisije energije.

Kar zadeva magnetnoresonančno resonanco, je najpomembnejši izziv za PET oblikovanje sredstev za določanje tarče [128]. V ta namen je bilo dokazano, da je mogoče trombinski aptamer fotokemično konjugirati z 3-azido-5-nitrobenzil fluoridom ([18F]ANBF) [70].

Poročali so tudi o PET slikanju na podlagi aptamerjev, označenih z 18F, za proteine, kot so tenascin C [131], protein tirozin kinaza 7 [132] in receptor EGF [133].

3.7.2. Diagnoza

Različica receptorja epidermalnega rastnega faktorja III (EGFRvIII), ki je onkogen zaradi svoje konstitutivne aktivacije, namesto da bi ga uravnavali ligandi EGFR, poveča gliomatumorogenost in odpornost na zdravljenje [134]. Celice U87-EGFRvIII s prekomerno ekspresijo EGFRvIII so bile uporabljene za pridobitev DNA aptamerjev, ki so spremenili hitrost celične rasti in povečali radiosenzitivnost [135].

Sposobnost vezave aptamerjev (U2, U8, U19 in U31) na U87-EGFRvIII je bila potrjena s pretočno citometrijo in konfokalno mikroskopsko analizo. Aptamer je zaviral proliferacijo in metastaze tumorskih celic (U87) ter vplival na signalne dogodke nižje od EGFR.

Poleg tega je bilo z vrsto sprememb razvitih več različic tega aptamerja. Medtem ko je prirezovanje povečalo njegovo specifičnost, je vstavitev GCpairs v njegovo lasno steblo zagotovila večjo toplotno stabilnost. Aptamerji s pirenemodifikacijami, identificirani s pomočjo molekularnega priklopa, so povečali afiniteto aptamerja do ciljnih molekul [136]. Poleg tega je 118Re-označen U2 pokazal protitumorski učinek in vivo.

Ti obetavni rezultati spodbujajo uporabo aptamera U2 kot novega terapevtskega sredstva v ciljnih sistemih za dostavo zdravil [125]. Večina trenutnih terapevtikov je bila neuspešnih zaradi nizke specifičnosti terapevtskega sredstva, ki kaže neželene učinke.

Glavni cilj tarčne terapije je povečati selektivnost zdravil in zmanjšati stranske učinke, ki niso ciljni. Eden od pristopov k doseganju tega cilja so sistemi za dostavo zdravil z uporabo ligandov, specifičnih za bolezni, kot so konjugati aptamer-zdravilo (ApDC) [137].

Prodigiozin, ki ga proizvaja bakterija Serratia marcescens, je citotoksičen z lastnostmi proti raku in malariji. Eden od njegovih derivatov, prodigiozin 25-C, deluje imunosupresivno. Aptamer, konjugiran s prodigiozinom, specifično cilja na površine možganskih rakavih celic.

Z uporabo orodja za molekularno modeliranje, programske opreme Ascalaph Designer, je bilo glutamatnemu receptorju in različnim aptamerjem omogočeno medsebojno delovanje v ansamblu NVT v trajanju 50 ns in pri 310 K. Iz te simulacijske študije je bilo identificiranih pet kandidatov za aptamerje na podlagi njihove delta medmolekularne energije (∆ INME). Za potrditev simulacijskih podatkov so te izbrane aptamerje posamezno inkubirali z možganskimi rakavimi celicami in normalnimi možganskimi celicami.

Končno je bil izračunan odstotek specifične vezave vsakega aptamera za obe vrsti celic. Ugotovljeno je bilo, da imajo aptameri 8, 10, 11, 23 in 69 sposobnost ciljanja epitopov na vse možganske rakave celice z visoko afiniteto in nizkim ∆ INME. Poleg tega so med temi možganske rakave celice adsorbirale aptamer 10 na visokih ravneh, njegova adsorpcija v normalnih celicah pa je bila dramatično nizka [138].

Kot smo že omenili, je glavna omejitev pri zdravljenju možganskih motenj BBB, ki večini majhnih molekul omejuje vstop v možgane. Potreba po ciljanju na tkivo je še en omejevalni dejavnik. Dovajanje zdravil na ključna obolela področja v možganih je bistven pristop za učinkovito terapijo.

Transferin (Tf), prisoten na membranah endotelijskih celic BBB, omogoča molekulam, da prečkajo BBB [139–141]. V nedavni študiji je bil aptamer, ki cilja na receptor Tf (TfR), spojen z aptamerjem, ki se veže na EpCAM (molekula adhezije epitelijskih celic), ki izraža rakave celice [142]. Aptamerski konjugat je ohranil specifičnost in pokazal izboljšano vezavno afiniteto za EpCAM in TfR.

Transcitoza teh aptamerjev skozi BBB je bila potrjena in vivo po 1-nmolinjekciji. Ta študija je pokazala, da bifunkcionalne aptamerne himere lahko premagajo BBB in imajo potencial za specifično zdravljenje možganskih motenj.

Z uporabo podobne strategije z delci so nanodelci mezoporoznega rutenija [Ru (bpy) 2 (konica)]2+ (RBT) (MRN) dobili funkcijo dvojnega ciljanja, kar sta dosegla aptamer AS1411 (Apt) in Tf cepljen na površine MRN, kar je povzročilo visoko zmogljivost nalaganja zdravil proti raku [143]. Ta nanosistem RBT@MRN-SS-Tf/Apt je omogočil učinkovito prodiranje BBB s Tf in specifično tarčanje za ubijanje celic glioma in vitro in in vivo.

Poleg tega je proizvodnja reaktivnih kisikovih vrst (ROS) z [Ru (bpy) 2 (tip)]2+ povzročila apoptozo celic glioma pod laserskim obsevanjem, kar je omogočilo fotodinamično terapijo (PDT), za katero je bilo dokazano, da podaljša obdobje preživetja.

Ti pristopi za dostavo zdravil dokazujejo, da je ciljanje na TfR lahko uspešno sredstvo za premikanje tovora čez BBB in da se aptamerne himere lahko učinkovito uporabljajo v ta namen za zdravljenje možganskih tumorjev in drugih možganskih bolezni CNS. Majhne moteče RNA (siRNA) imajo sposobnost utišanja genov, ki je specifična za zaporedje, zaradi česar so alternativna terapevtska orodja.

Vendar pa je bila dostava siRNA v ciljne celice zahtevna, saj so bili razviti številni sistemi za dostavo siRNA, ki temeljijo na aptamerju, da bi povečali učinkovitost siRNA [66]. Specifična dostava siRNA STAT3 v celice GBM je bila dosežena z uporabo himernega aptamera, sestavljenega iz siRNA, ki cilja na STAT3 (pretvornik signala in aktivator transkripcije 3), konjugiran z Gint4.

T aptamer, ki cilja na PDGFR (receptor trombocitnega rastnega faktorja). STAT3 je ključni regulator podtipa agresivnega mezenhimskega glioblastoma. Dostava sistema in utišanje STAT3 sta bila določena v celicah GBM, pozitivnih na PDGFR. Pokazalo se je tudi, da himerni sistem zmanjša viabilnost in migracijo celic in vitro ter zavira rast tumorja in angiogenezo in vivo [144].

Aptamerje je mogoče uporabiti za diagnozo, saj se specifično vežejo na različne celične linije glioblastoma v primerjavi z drugimi rakavimi celičnimi linijami s Kds v območju 78–168 nM [63]. Družina aptamerjev DNA je bila izbrana in optimizirana za vezavo celične linije gliosarkoma (K308) z uporabo cell-SELEX [145].

Imajo vrednosti Kd v nanomolarnem območju z najvišjo afinitetoaptamer (WQY-9) s Kd 21 nM. WQY-9 je bil zelo selektiven za celice K308 in je bil internaliziran s K308 pri 37 ◦C. Pri testiranju z vzorci tkiv, vgrajenimi v parafin, je okrnjena različica WQY-9 (WQY-9-B) obarvala 73 % (11 od 15) vzorcev gliosarkoma v primerjavi s 17 % od 12 normalnih vzorcev.

Naključno zaporedje DNK je obarvalo 13 oziroma 20 % vzorcev gliosarkoma in normalnih vzorcev. Aptamer RNA (H02) je izbral tudi celični SELEX, ki veže alfa-5-beta-1 integrin in lahko razlikuje med celičnimi linijami glioblastoma in tkivi iz ksenotransplantatov tumorja, pridobljenih iz bolnikov, v cito- in histo-fluorescenčnih testih [146].

Tako obstaja več aptamerjev, ki obetajo aplikacije za izdelavo učinkovitejših diagnostičnih orodij za gliosarkom. Nekateri aptamerji so navedeni v tabeli 3.

4. Sklepi in perspektiva v prihodnosti

Države s hitro starajočim se prebivalstvom se bodo v prihodnosti soočile z vedno večjim številom ljudi, ki jih prizadene več nevrodegenerativnih bolezni. Do leta 2050 bosta več kot dve milijardi ljudi starejši od 60 let, število ljudi, starejših od 80 let, pa se bo potrojilo, z današnjih 137 milijonov na 425 milijonov.

To povečanje števila starejših naj bi spremljalo sorazmerno povečanje števila bolnikov z nevrološkimi boleznimi.

Pričakuje se tudi povečana pojavnost možganskih tumorjev, ker se pojavnost raka povečuje s starostjo in se morda poslabša zaradi zmanjšane učinkovitosti mehanizmov popravljanja v starejših možganih.

Ta porast bolnikov z nevrološkimi boleznimi in možganskimi tumorji bi lahko zmanjšali, če bi razumeli dejavnike, zaradi katerih so starejši dovzetni za nevrološke motnje, in mehanizme kopičenja beljakovin, poslabšanja razgradnje agregatov in smrti nevronskih celic ter razvili ustrezno diagnostiko in zdravljenje.

Zato bo razumevanje temeljnih osnov nevroloških bolezni in možganskih tumorjev ter njihovega vpliva na staranje prepoznalo načine za njihovo preprečevanje ali ozdravitev in izboljšalo kakovost življenja mnogih ljudi v starosti.

Protitelesa so trenutno primarno sredstvo za diagnozo molekularnih biomarkerjev nevroloških bolezni, zlasti za proteinske biomarkerje. Vendar je proizvodnja protiteles draga, razlikujejo se od serije do serije, kar zahteva obsežen nadzor kakovosti, in zahtevajo shranjevanje v hladilniku. Ko se uporabljajo terapevtsko, morajo biti protitelesa najprej "humanizirana", da se prepreči imunska zavrnitev.

Priložnosti za diagnozo in terapije je mogoče razširiti z vključitvijo aptamerjev, ki so specifični za biomarkerje bolezni, in konstruktov aptamerjev, ki jih je mogoče uporabiti za reševanje terapevtskih izzivov.

Čeprav aptamerji zagotavljajo prednosti in številne nove priložnosti za diagnostične in terapevtske aplikacije, je njihova zastopanost v sodobni diagnostiki in terapevtiki majhna.

V primerjavi s protitelesi so aptamerji razmeroma nedavno odkrite molekule, zato bo za njihov razvoj v odobrena diagnostična in terapevtska sredstva potreben čas. V tem pregledu smo povzeli razpoložljive aptamerje, ki se uporabljajo za diagnozo in terapijo, ter jih navedli z zaporedji in lastnostmi v tabeli 3.

Vendar pa obstaja veliko več potencialnih tarč aptamerjev s povezavami z nevrološkimi boleznimi, vključno z LRRK2, Parkin, PINK1, DRP-1, DJ-1, UBQLN2, C9orf72, NEK-1 in FAS.

Z nadaljnjo optimizacijo njihovega delovanja in standardizacijo njihove karakterizacije se pričakuje, da bo uporaba aptamerjev dobila zagon in ponudila številne nove priložnosti v diagnostiki in terapevtiki na področju nevroznanosti.

Prispevki avtorjev: Vsi avtorji so prebrali in se strinjajo z objavljeno različico rokopisa.

Financiranje: Ta članek je podprl Svet za znanstvene in tehnološke raziskave Turčije (TÜB˙ITAK) 3501 (Program za razvoj kariere), številka projekta 119S845.

Izjava institucionalnega nadzornega odbora: Ni primerno.

Izjava o informiranem soglasju: Ni primerno.

Izjava o razpoložljivosti podatkov: v tej študiji niso bili ustvarjeni ali analizirani novi podatki. Skupna raba podatkov ne velja za ta članek.

Navzkrižje interesov: Avtorji izjavljajo, da ni navzkrižja interesov.

Reference

1. Rangel, AE; Chen, Z.; Ayele, TM; Heemstra, JM In vitro selekcija aptamerja XNA, ki je sposoben prepoznati majhne molekule. Nucleic Acids Res. 2018, 46, 8057–8068. [CrossRef] [PubMed]

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

3. Ellington, AD; Szostak, JW In vitro selekcija molekul RNA, ki vežejo specifične ligande. Narava 1990, 346, 818–822. [CrossRef][PubMed]

4. Robertson, DL; Joyce, GF Izbira in vitro encima RNA, ki specifično cepi enoverižno DNA. Narava 1990, 344,467–468. [CrossRef] [PubMed]

5. Türk, Č.; Gold, L. Sistematična evolucija ligandov z eksponentno obogatitvijo: ligandi RNA do polimeraze DNA bakteriofaga T4. Science 1990, 249, 505–510. [CrossRef] [PubMed]

6. Slepec, M.; Blank, M. Aptamer Selection Technology and Recent Advances. Mol. Ther. Nukleinske kisline 2015, 4, e223. [CrossRef]

7. Kang, K.-NN; Lee, Y.-SS RNA aptamers: Pregled nedavnih trendov in aplikacij. Prihodnji trendi Biotehnologija. 2013, 131, 153–169.[CrossRef]

8. Munzar, JD; Ng, A.; Juncker, D. Duplexed aptamers: zgodovina, načrtovanje, teorija in uporaba za biosenziranje. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 1390–1419. [CrossRef]9. Zhang, Y.; Lai, BS; Juhas, M. Nedavni napredek pri odkrivanju in aplikacijah aptamerjev. Molecules 2019, 24, 941. [CrossRef]

10. Zhou, J.; Rossi, J. Aptamerji kot ciljna terapija: trenutni potencial in izzivi. Nat. Rev. Drug Discov. 2017, 16, 181–202.[CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com