周如鸿教授团队Nat Commun：C3N纳米点改善阿尔茨海默病模型动物的行为缺陷，有望用于其治疗

阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD），俗称老年性痴呆，是老年人常见的神经系统变性疾病，多发于65岁以上的人群。AD的病理特征有老年斑、神经元纤维缠结、海马锥体细胞颗粒空泡变性和神经元缺失。AD发病隐匿，临床表现主要包括认知损害症状、非认知性神经精神症状及社会生活功能减退3个方面。尽管有越来越多的证据表明AD的发病与Aβ肽的聚集和Aβ寡聚物的出现有关，但在过去几十年中，经美国食品药品监督管理局批准的抗聚集疗法药物寥寥无几。2023年9月15日，浙江大学生命科学学院周如鸿教授（点击查看介绍）团队在Nature Communications 发表研究工作，报道了一种Aβ多肽聚集抑制剂：超小型C₃N纳米点。该项工作通过结合科学实验和多尺度理论计算，从分子、细胞、动物层面系统地研究了C₃N纳米点抑制Aβ多肽聚集，干预AD小鼠病理过程的生物学效应及详细的分子机制，为开发高效、低毒的抗AD药物提供了重要新思路。

通过硫黄素T（ThT）荧光实验、点杂交实验和AFM形貌观察，研究人员发现C₃N纳米点可以高效抑制Aβ₄₂肽的聚集（图1b-d），并通过Aβ₄₂肽刺激的原代神经元模型证明C₃N纳米点可缓解Aβ₄₂肽聚集过程诱导的神经毒性。此外，C₃N纳米点也能有效阻止Aβ多肽家族中其他片段的聚集，例如N-截短的Aβ多肽（AβpE3）和Aβ₄₀多肽。为进一步探索C₃N纳米点抑制Aβ聚集的分子机制，研究人员利用全原子分子动力学（MD）模拟研究揭示了C₃N纳米点在Aβ₄₂聚集过程中的结构调节作用。结果显示，C₃N 纳米点可明显抑制Aβ₄₂肽链自组装过程中有序β片层结构的形成，并诱导其形成无序的结构（图1e-f），并通过C₃N与肽链之间相互作用分析，结合关键结合构象，详述了两者的结合机制。此外，研究人员还比较分析了C₃N纳米点、纳米石墨烯（GRA）和富勒烯（C₆₀）对Aβ₄₂聚集的抑制作用，并发现C₃N纳米点抑制Aβ₄₂聚集的能力更强。

图1. C₃N 纳米点抑制体外Aβ₄₂纤维化。（a）C₃N纳米点的电镜图；（b）ThT荧光实验检测β片层的含量；（c）点杂交实验检测成熟纤维含量；（d）AFM观察形貌；（e）Aβ₄₂肽链中残基二级结构随模拟时间的演变，及（f）各结构组分的比例；（g）Aβ₄₂在C₃N纳米点处理前后的CD谱图；（h）C₃N纳米点与Aβ₄₂之间的非键相互作用能以及在此过程中的关键结合构象。

AD的典型临床症状为认知功能缺陷，研究人员通过Cy5.5标记C₃N纳米点，发现C₃N纳米点可通过小鼠的血脑屏障。水迷宫实验发现，C₃N纳米点给药（1 mg/kg/d）可明显缩短AD小鼠找到隐藏平台的时间。撤去平台后，C₃N纳米点干预的AD小鼠在目标区域的停留时间和穿过次数明显增多（图2b-f）。在新物体识别实验中，C₃N纳米点给药延长了AD小鼠的新物体探索时间（图2g-h）。这些结果一致表明，C₃N纳米点给药改善了AD小鼠的学习和记忆缺陷。

图2. C₃N纳米点改善AD小鼠的认知功能障碍。（a）小鼠大脑中C₃N-Cy5.5荧光强度；（b-c）小鼠定向巡航实验；（d-f）小鼠空间探索实验；（g-h）新物识别实验。

此外，研究人员还在小鼠脑切片和脑匀浆中发现C₃N纳米点降低了AD小鼠大脑中的Aβ多肽积聚，进而缓解AD小鼠的神经元突触损伤以及神经元死亡（图3）。这些结果进一步证明了C₃N纳米点通过抑制Aβ多肽聚集，有效改善AD病理。

图3. C₃N纳米点缓解AD小鼠病理。（a）C₃N纳米点减少AD小鼠大脑中的Aβ沉积；（b-e）C₃N纳米点缓解小鼠脑内神经元丢失及突触损伤。

综上所述，该研究表明，C₃N纳米点可减轻Aβ聚集诱导的神经元细胞毒性，降低全脑Aβ肽水平，并有效阻止AD小鼠的突触损失，并由此显著改善APP/PS1双转基因雄性AD小鼠的行为缺陷。值得注意的是，C₃N纳米点具有良好的生物安全性，小鼠给药时间长达半年，并未检测出炎症反应以及主要脏器损伤。该研究为C₃N 纳米点在AD防治中的应用提供了实验和理论依据支持，并对后续抑制Aβ聚集的AD药物设计具有重要参考价值。

浙江大学生命科学学院为论文第一作者单位和通讯作者单位。周如鸿教授为通讯作者，其团队成员尹秀华博士、周红博士后为该论文第一作者。苏州大学功能纳米与软材料研究所康振辉教授、苏州大学放射医学及交叉学科研究院杨再兴副教授为论文共同通讯作者，苏州大学功能纳米与软材料研究所博士后张梦玲为该论文的共同第一作者。该工作是神经生物学、纳米医学和计算生物学多学科领域交叉融合的研究成果，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自主创新示范区上海张江重大专项、浙江大学上海高等研究院繁星科学基金等资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

C₃N nanodots inhibits Aβ peptides aggregation pathogenic path in Alzheimer's disease

Xiuhua Yin, Hong Zhou, Mengling Zhang, Juan Su, Xiao Wang, Sijie Li, Zaixing Yang, Zhenhui Kang & Ruhong Zhou 

Nat. Commun., 2023, 14, 5718, DOI: 10.1038/s41467-023-41489-y

团队介绍

周如鸿，AAAS Fellow, APS Fellow, 浙江大学求是讲席教授，定量生物中心主任。长期从事计算生物学、生物物理、生物化学与人工智能+等交叉学科的研究，在蛋白质设计、纳米药物设计、肿瘤免疫机制等领域取得了一系列国际领先的原创性成果。授权30余项国际专利，在Nature，Science，Cell等国际权威学术刊物发表论文300余篇（其中 1篇Cell，2篇Nature，2篇Science，20篇Nature子刊，17篇PNAS，14篇JACS），文章总引用超过26000余次，H因子83（Google Scholar）。近年来主要研究兴趣包括开发高性能计算与机器学习等新算法研究肿瘤免疫分子机制，高效抗肿瘤纳米药物和生物大分子互作机理等。

欢迎访问周如鸿教授个人主页：https://person.zju.edu.cn/ruhong 

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