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一种生物工程化的FZD4选择性Wnt替代物在缺血性血脑屏障功能障碍中的全身疗效

期刊:Nature CommunicationsDOI:10.1038/s41467-023-37689-1

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告:

作者及研究机构
该研究由Jie Ding、Sung-Jin Lee、Lukas Vlahos等多名研究人员共同完成,主要研究机构包括斯坦福大学医学院(Stanford University School of Medicine)、Surrozen公司、哥伦比亚大学(Columbia University)等。该研究于2023年发表在《Nature Communications》期刊上。

学术背景
血脑屏障(Blood-Brain Barrier, BBB)和血视网膜屏障(Blood-Retinal Barrier, BRB)在多种神经系统疾病中起着关键作用,如中风、癌症、糖尿病视网膜病变和阿尔茨海默病等。BBB和BRB的功能依赖于Wnt/β-catenin信号通路的激活,而Norrin/Fzd4/Tspan12信号通路是这一过程的核心。然而,由于天然Wnt蛋白的脂化修饰和溶解性问题,系统性药物激活Fzd4受体一直面临挑战。因此,研究团队开发了一种新型的Fzd4特异性Wnt模拟物L6-F4-2,旨在解决这些问题,并探索其在BBB功能障碍相关疾病中的治疗潜力。

研究流程
研究分为多个步骤,详细流程如下:
1. L6-F4-2的生成与特性验证
研究团队设计了一种非脂化的Fzd4特异性Wnt模拟物L6-F4-2,并通过生物层干涉技术(Biolayer Interferometry, BLI)验证其与Fzd4的结合亲和力。结果表明,L6-F4-2对Fzd4的亲和力显著高于天然Norrin,达到亚皮摩尔级别。
2. 体外细胞实验
在HEK293细胞、人视网膜微血管内皮细胞(HRMEC)和小鼠脑微血管内皮细胞(bEnd.3)中,研究团队通过Super Top-Flash(STF)报告基因实验验证了L6-F4-2激活Wnt/β-catenin信号通路的能力。结果显示,L6-F4-2在低剂量下即可显著激活信号通路,且效果优于Wnt3a和Norrin。
3. 动物模型实验
研究团队在Norrin基因敲除(NdpKO)小鼠模型中测试了L6-F4-2的治疗效果。通过单次玻璃体内注射L6-F4-2,成功逆转了NdpKO小鼠的视网膜血管生成缺陷,并恢复了BRB和BBB功能。此外,研究还在成年C57BL/6J小鼠中风模型中测试了L6-F4-2的治疗效果,结果显示,L6-F4-2显著降低了中风后的BBB通透性、梗死面积和脑水肿,并改善了神经功能评分。
4. 单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析
研究团队对NdpKO小鼠视网膜内皮细胞进行了单细胞RNA测序,分析了L6-F4-2对细胞类型和基因表达的影响。结果显示,L6-F4-2显著恢复了NdpKO小鼠中Wnt/β-catenin信号通路相关基因的表达,并改善了血管内皮细胞的亚群分布。
5. 药代动力学分析
研究团队通过静脉注射和腹腔注射L6-F4-2,评估了其在小鼠体内的药代动力学特性。结果显示,L6-F4-2在体内具有较长的半衰期,适合系统性给药。

主要结果
1. L6-F4-2的高亲和力与特异性
L6-F4-2对Fzd4的亲和力显著高于天然Norrin,且在体外实验中表现出更强的Wnt/β-catenin信号通路激活能力。
2. NdpKO小鼠模型的治疗效果
L6-F4-2在NdpKO小鼠中成功逆转了视网膜血管生成缺陷,并恢复了BRB和BBB功能。
3. 中风模型的治疗效果
在成年C57BL/6J小鼠中风模型中,L6-F4-2显著降低了BBB通透性、梗死面积和脑水肿,并改善了神经功能评分。
4. 单细胞RNA测序结果
L6-F4-2恢复了NdpKO小鼠中Wnt/β-catenin信号通路相关基因的表达,并改善了血管内皮细胞的亚群分布。
5. 药代动力学特性
L6-F4-2在体内具有较长的半衰期,适合系统性给药。

结论
研究团队成功开发了一种新型的Fzd4特异性Wnt模拟物L6-F4-2,其具有高亲和力和特异性,能够有效激活Wnt/β-catenin信号通路。在NdpKO小鼠和中风模型中,L6-F4-2表现出显著的治疗效果,能够恢复BBB和BRB功能,并改善神经功能。该研究为BBB功能障碍相关疾病的治疗提供了新的潜在药物,并展示了Fzd4受体激动剂在神经系统疾病中的广泛应用前景。

研究亮点
1. 高亲和力Wnt模拟物
L6-F4-2对Fzd4的亲和力显著高于天然Norrin,突破了传统Wnt蛋白的局限性。
2. 多种动物模型的治疗效果
研究在NdpKO小鼠和中风模型中验证了L6-F4-2的治疗效果,展示了其在多种疾病中的潜在应用价值。
3. 单细胞RNA测序分析
通过单细胞RNA测序,研究团队深入分析了L6-F4-2对细胞类型和基因表达的影响,揭示了其作用机制。
4. 系统性给药潜力
L6-F4-2在体内具有较长的半衰期,适合系统性给药,为其临床应用奠定了基础。

其他有价值的内容
研究团队还探讨了L6-F4-2在神经退行性疾病、肿瘤、自身免疫性疾病和感染等其他神经系统疾病中的潜在应用,展示了其在更广泛疾病领域中的治疗潜力。

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