大鼠体内通过血脑屏障的伊杜糖醛酸-2-硫酸酯酶递送研究

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血脑屏障 MPS II 伊杜糖醛酸-2-硫酸酯酶 酶替代疗法 脑脊液 脑 药代动力学

通过血脑屏障递送酶替代疗法治疗亨特综合征

背景介绍

亨特综合征（Mucopolysaccharidosis II, MPS II）是一种罕见的遗传性代谢疾病，由iduronate-2-sulfatase (IDS)酶缺乏引起。这种酶的缺乏导致糖胺聚糖（如硫酸乙酰肝素和硫酸皮肤素）在细胞和组织中积累，进而引发严重的神经系统和周围组织病变。尽管酶替代疗法（Enzyme Replacement Therapy, ERT）在治疗周围组织症状方面取得了一定成功，但由于血脑屏障（Blood-Brain Barrier, BBB）的存在，传统的静脉注射ERT无法有效缓解中枢神经系统（CNS）的病变。

血脑屏障是由脑微血管内皮细胞通过紧密连接形成的，能够阻止大多数大分子物质进入大脑。因此，如何将大分子药物（如酶）有效递送至大脑成为治疗亨特综合征等中枢神经系统疾病的关键挑战。近年来，研究人员开发了多种基于受体介导的跨细胞转运（Receptor-Mediated Transcytosis, RMT）的技术，试图通过靶向特定受体来实现大分子药物的脑内递送。

研究来源

本项研究由Will J. Costain等人主导，研究团队来自加拿大国家研究委员会（National Research Council Canada）和比利时Oxyrane公司。该研究于2025年发表在Fluids and Barriers of the CNS期刊上，题为《In vivo brain delivery of BBB-enabled iduronate 2-sulfatase in rats》。研究旨在通过融合单域抗体（Single-Domain Antibodies, sdAbs）和IDS酶，开发一种能够跨越血脑屏障的酶替代疗法，以治疗亨特综合征的中枢神经系统症状。

研究流程与结果

1. 蛋白质设计与生产

研究团队首先设计并生产了多种IDS酶与单域抗体的融合蛋白。这些融合蛋白包括IDS与靶向胰岛素样生长因子1受体（IGF1R）的单域抗体（如IGF1R3H5）、人血清白蛋白（HSA）或抗血清白蛋白的单域抗体（如R28和M79）的融合体。这些融合蛋白在酵母菌株Yarrowia lipolytica中表达，并通过多步色谱法纯化。

实验结果：

  • 通过表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）技术，研究团队验证了IGF1R3H5单域抗体对人IGF1R的高亲和力（Kd = 7.5 nM）。尽管融合蛋白的亲和力有所下降，但仍保持了与IGF1R的结合能力。
  • 抗血清白蛋白的单域抗体（如R28和M79）也表现出对人血清白蛋白和鼠血清白蛋白的高亲和力。

2. 体外血脑屏障通透性研究

研究团队使用大鼠脑内皮细胞模型（SV-ARBEC）评估了融合蛋白的血脑屏障通透性。通过测量表观通透系数（Papp），研究团队发现，融合了IGF1R3H5的IDS酶（IGF1R3H5-IDS）在体外模型中表现出显著高于IDS酶的通透性。

实验结果：

  • IGFR3H5-IDS的Papp值为250，显著高于IDS酶（Papp = 9）和阴性对照A20.1（Papp = 5）。
  • 融合了HSA或抗血清白蛋白单域抗体的IDS酶（如IGF1R3H5-IDS-HSA和IGF1R3H5-IDS-R28）也表现出较高的通透性。

3. 体内药代动力学研究

研究团队在大鼠模型中进行了体内药代动力学（Pharmacokinetics, PK）研究，评估了不同融合蛋白在血清和脑脊液（Cerebrospinal Fluid, CSF）中的分布和清除情况。

实验结果：

  • IDS酶和IGF1R3H5-IDS在血清中的半衰期（t1/2α）均小于10分钟，表明它们被迅速清除。
  • 融合了HSA或抗血清白蛋白单域抗体的IDS酶（如IGF1R3H5-IDS-HSA和IGF1R3H5-IDS-R28）在血清中的半衰期显著延长，AUC（曲线下面积）增加了8-11倍。
  • 在脑脊液中，IGF1R3H5-IDS-HSA和IGF1R3H5-IDS-R28的AUC分别增加了42倍和52倍，表明这些融合蛋白能够显著增加IDS酶在脑内的暴露量。

4. 脑内分布研究

研究团队进一步通过脑组织分馏实验，验证了融合蛋白在脑实质（Parenchyma）和脑血管中的分布情况。

实验结果：

  • IDS酶在脑实质中几乎无法检测到，而IGF1R3H5-IDS和IGF1R3H5-IDS-R28在脑实质中的浓度显著高于脑血管中的浓度，表明这些融合蛋白能够有效递送至脑实质。

结论与意义

本项研究成功开发了一种能够跨越血脑屏障的IDS酶替代疗法，通过融合单域抗体和HSA，显著延长了IDS酶在血清中的半衰期，并增加了其在脑内的暴露量。这一策略不仅为亨特综合征的中枢神经系统治疗提供了新的可能性，也为其他需要跨越血脑屏障的酶替代疗法提供了重要的技术平台。

研究亮点：

  1. 创新性递送策略：通过融合单域抗体和HSA，实现了IDS酶的血脑屏障跨越和血清半衰期延长。
  2. 显著的脑内递送效果：IGF1R3H5-IDS-HSA和IGF1R3H5-IDS-R28在脑脊液和脑实质中的浓度显著增加，表明其在中枢神经系统治疗中的潜力。
  3. 广泛的应用前景：该技术平台可应用于其他需要跨越血脑屏障的酶替代疗法，具有重要的科学和临床应用价值。

其他有价值的信息

研究团队还指出，尽管融合蛋白的亲和力有所下降，但其在体内的功能并未受到显著影响。此外，研究团队开发的酵母表达系统和纯化工艺也为大规模生产提供了可行性。

这项研究为亨特综合征及其他中枢神经系统疾病的治疗提供了新的思路和方法，具有重要的科学和临床意义。