Therapeutic Strategy to Treat Alzheimer's Disease by VGF Delivery into Brain

通过将 VGF 输送至大脑来治疗阿尔茨海默病的治疗策略

基本信息

  • 批准号:
    10738951
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 60.02万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-16 至 2028-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

SUMMARY/ABSTRACT: Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease that has emerged as the most prevalent form of late-life dementia in humans, in which the formation and accumulation of hyperphosphorylated tau protein and amyloid-β (Aβ) are believed to play key roles in AD pathogenesis. Of note, the recent multiscale causal network analysis in Accelerated Medicines Partnership for Alzheimer’s Disease (AMP-AD) cohort identified that VGF is the only downregulated key driver for AD. VGF is synthesized by neurons in the brain where it promotes growth and survival of neurons, and is involved in neurogenesis, synaptogenesis and energy homeostasis. VGF plays a critical role in learning, memory, and pathophysiology of neurodegenerative diseases. Therefore, this proposal aims to develop a novel effective gene therapy for AD by targeting VGF. The major challenge in the field of gene therapy for AD is to design a safe vector that can cross the blood brain barrier (BBB) and target the desired cells. We propose to develop innovative and targeted nanoparticles conjugated with human VGF cDNA plasmid (pVGF) for the treatment of AD by delivering into brain after intravenous and intranasal administration. Intranasal route provides a direct entrance of CNS therapeutics to the brain and therefore this is a promising non-invasive pathway for gene to reach the brain parenchyma by bypassing the BBB. We would synthesize two types of nanoparticles- liposomal nanoparticles and ω-3 fatty acid grafted chitosan based nanomicelles. Both types of nanoparticles will be grafted with targeting ligands [transferrin (Tf), mannose (MAN), and brain and neuron specific cell penetrating peptide (CPP)]. It has been found that the Tf and GLUT-1 receptors are present on the surface of brain endothelial cells as well as on neurons. MAN is a substrate for GLUT1. In addition, the CPP will further improve the penetration of nanoparticles/nanomicelles into brain. Therefore, we propose to design liposomal nanoparticles encapsulating gene and modifying the surface of nanoparticles with Tf, MAN and CPP. Similarly, ω-3 fatty acid grafted chitosan will be also modified by grafting with Tf, MAN and CPP. These graft polymers will form self-assembled cationic nanomicelles in aqueous environment to provide selective targeting of complexed pVGF to brain. The long-term goal of the proposed research is to design a non-viral gene delivery carrier for efficient delivery of pVGF to brain through intravenous and intranasal administrations for prevention and treatment of aging-related cognitive decile including AD. We propose three specific aims to accomplish the long-term goal of the proposed research. Aim 1. Synthesize and characterize nanoparticles/nanomicelles loaded with pVGF: The CPP-liposomal nanoparticles will be synthesized using thin film hydration technique followed by insertion of Tf- and MAN- coupled micelles using post-insertion technique. We propose to use three BBB and neuron specific CPPs: (i) a non-toxic fragment of tetanus toxin known as tetanus toxin C fragment (TTC), (ii) penetratin, and (iii) rabies virus glycoprotein (RVG-9R containing a nerve binding region). For nanomicelles, we will synthesize graft polymer (GP) of chitosan with ω-3 fatty acid. The GP will be further grafted with MAN, Tf and CPP, and characterize by infrared (IR) and NMR spectroscopy. The GP will self-assemble in aqueous media to form nanomicelles. The nanoparticles/nanomicelles will be evaluated for particle size, zeta potential, encapsulation efficiency, cell uptake and uptake mechanism(s), transfection efficiency, cell cytotoxicity, and hemolysis assay. The transport efficacy of pVGF loaded nanoparticles/nanomicelles will be evaluated across an in vitro BBB model designed by combining primary human epithelial cells (HBMECs) and primary human astrocytes (HA). We will evaluate the effect of nanoparticles/nanomicelles on transfection efficiency, Aβ levels and tau-phosphorylation in the cell culture BBB model by seeding the APP Swe/Ind or MAPT P301L-overexpressing SHSY5Y cells in 24-well plates. Secretion of Aβ40 and Aβ42 in the culture supernatant, as well as intracellular accumulation in cell lysates, will be determined by ELISA. Total tau and phosphorylated tau levels in the cell lysates and culture medium will be measured by Western blot assay/ELISA. Aim 2. Evaluate the in vivo biocompatibility, organ toxicity, pharmacokinetics and VGF expression in wild type mice of varying ages: To establish successful gene therapies for AD, we will validate the nanoparticles/nanomicelles for their biocompatibility, organ toxicity, and pharmacokinetics (biodistribution) after administering intravenously or intranasally into wild type mice at 3 months of age. In addition, the VGF gene delivery will be further validated in wild-type mice at 3 and 24 months of ages. Aim 3. Assess the therapeutic effects of the nanoparticle/nanomicelle-mediated VGF gene delivery on cognitive impairment and Aβ pathology: To establish successful gene therapies for AD-related phenotypes and age-related cognitive decline, we will examine effects of VGF gene therapy through the functionalized-nanoparticles/nanomicelles on neurobehaviors, synaptic functions and/or amyloid pathology. The nanoparticles will be administered intravenously or intranasally into amyloid model 5xFAD mice and aged wild- type mice, and the effects will be assessed. For human relevance, we will also use iPSC-derived neurons and cerebral organoids from AD patients and assess the effects on neurodegeneration and Aβ/tau pathologies. Collectively, we anticipate that the proposed study will contribute towards the development of high efficiency non-viral gene delivery system to deliver pVGF into brain for successful gene therapy for AD and other neurodegenerative diseases.
摘要/摘要: 阿尔茨海默病 (AD) 是一种进行性神经退行性疾病,已成为最流行的疾病 人类晚年痴呆症的一种形式,其中过度磷酸化 tau 蛋白的形成和积累 β 和淀粉样蛋白 (Aβ) 被认为在 AD 发病机制中发挥着关键作用,值得注意的是,最近的多尺度因果关系。 阿尔茨海默病加速药物合作伙伴关系 (AMP-AD) 队列中的网络分析发现 VGF 是 AD 唯一下调的关键驱动因素,VGF 由大脑中的神经元合成,可促进 AD 的发生。 神经元的生长和存活,并参与神经发生、突触发生和能量稳态。 因此,这在学习、记忆和神经退行性疾病的病理生理学中起着至关重要的作用。 该提案旨在通过针对 VGF 开发一种新型有效的 AD 基因疗法。 AD基因治疗领域的目标是设计一种安全的载体,可以穿过血脑屏障(BBB)并靶向 我们建议开发与人类 VGF 结合的创新型靶向纳米颗粒。 cDNA 质粒 (pVGF) 通过静脉内和鼻内递送至大脑来治疗 AD 鼻内途径提供了中枢神经系统治疗剂直接进入大脑的途径,因此这是 一种有希望的非侵入性途径,让基因绕过血脑屏障到达脑实质。 合成了两种类型的纳米颗粒——脂质体纳米颗粒和基于ω-3脂肪酸接枝壳聚糖的纳米颗粒 两种类型的纳米颗粒都将接枝有靶向配体 [转铁蛋白 (Tf)、甘露糖 (MAN)、 以及脑和神经元特异性细胞穿透肽(CPP)]已发现Tf和GLUT-1受体。 MAN 存在于脑内皮细胞表面和神经元上,是 GLUT1 的底物。 此外,CPP将进一步提高纳米粒子/纳米胶束进入大脑的渗透性。 提出设计封装基因的脂质体纳米颗粒并用以下物质修饰纳米颗粒的表面 Tf、MAN和CPP类似地,ω-3脂肪酸接枝壳聚糖也将通过接枝Tf、MAN和CPP进行改性。 CPP。这些接枝聚合物将在水性环境中形成自组装的阳离子纳米胶束,以提供 选择性靶向复合 pVGF 至大脑 本研究的长期目标是设计一种 非病毒基因递送载体,用于通过静脉内和鼻内将 pVGF 有效递送至大脑 我们提出了三种预防和治疗与衰老相关的认知十分位的药物。 目标 1. 综合和描述实现所提出研究的长期目标的具体目标。 负载 pVGF 的纳米粒子/纳米胶束:CPP-脂质体纳米粒子将使用以下合成 薄膜水合技术,然后使用插入后插入 Tf 和 MAN 偶联胶束 我们建议使用三种 BBB 和神经元特异性 CPP:(i) 破伤风毒素的无毒片段。 称为破伤风毒素 C 片段 (TTC)、(ii) 渗透素和 (iii) 狂犬病病毒糖蛋白(含有 RVG-9R) 对于纳米胶束,我们将合成壳聚糖与 ω-3 脂肪酸的接枝聚合物(GP)。 GP将进一步接枝MAN、Tf和CPP,并通过红外(IR)和NMR光谱进行表征。 GP 将在水介质中自组装形成纳米胶束。 评估粒径、zeta 电位、封装效率、细胞摄取和摄取机制, 转染效率、细胞毒性和溶血测定 pVGF 负载的转运效率。 纳米颗粒/纳米胶束将在体外 BBB 模型中进行评估,该模型通过结合初级 我们将评估人上皮细胞(HBMEC)和原代人星形胶质细胞(HA)的效果。 纳米颗粒/纳米胶束对细胞培养 BBB 中转染效率、Aβ 水平和 tau 磷酸化的影响 通过在 24 孔分泌板中接种 APP Swe/Ind 或 MAPT P301L 过表达 SHSY5Y 细胞来建立模型。 培养物上清液中 Aβ40 和 Aβ42 的含量,以及细胞裂解物中细胞内的积累,将 通过 ELISA 测定细胞裂解物和培养基中的总 tau 和磷酸化 tau 水平。 通过蛋白质印迹分析/ELISA 进行测量 目的 2. 评估体内生物相容性、器官毒性、 不同年龄野生型小鼠的药代动力学和 VGF 表达:建立成功基因 AD 疗法,我们将验证纳米颗粒/纳米胶束的生物相容性、器官毒性和 野生型小鼠静脉内或鼻内给药后的药代动力学(生物分布) 3 此外,VGF 基因传递将在 3 个月和 24 个月大的野生型小鼠中得到进一步验证。 目标 3. 评估纳米颗粒/纳米胶束介导的 VGF 基因的治疗效果。 认知障碍和 Aβ 病理学的治疗:建立成功的 AD 相关基因疗法 表型和与年龄相关的认知能力下降,我们将通过以下方式检查 VGF 基因治疗的效果 功能化纳米颗粒/纳米胶束对神经行为、突触功能和/或淀粉样蛋白病理学的影响。 纳米颗粒将通过静脉或鼻内注射到淀粉样蛋白模型 5xFAD 小鼠和老年野生小鼠中 型小鼠,并且将评估其对人类的影响,我们还将使用 iPSC 衍生的神经元和 来自 AD 患者的脑类器官,并评估其对神经退行性变和 Aβ/tau 病理学的影响。 总的来说,我们预计拟议的研究将有助于高效率的发展 非病毒基因传递系统将 pVGF 传递到大脑中,成功治疗 AD 和其他疾病 神经退行性疾病。

项目成果

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