类型A：原创研究报告

作者与发表信息

本研究由来自南开大学生命科学学院、药物化学生物学国家重点实验室的Yijin Liu，河北工业大学的Hui Wang，以及南开大学的Xinglu Huang共同通讯领导。共同第一作者为Tianyi Qi和Jingxuan Fu。这项研究成果于2026年发表于国际顶尖学术期刊《Nature Nanotechnology》。

学术背景与研究目的

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是一种以记忆丧失、认知衰退和严重突触功能障碍为特征的神经退行性疾病。其核心病理标志之一是β-淀粉样蛋白（amyloid-β, Aβ）在大脑中的聚集。Aβ聚集形成不溶性纤维和斑块，导致神经炎症和突触功能障碍。因此，靶向清除Aβ聚集体仍然是AD治疗中一个极具前景但充满挑战的方向。已有研究表明某些纳米材料，如金纳米颗粒，具有调节Aβ聚集的潜力，但这些相互作用通常是非特异性的，且机制不明。更关键的是，纳米材料一旦进入体内，极易吸附血清蛋白形成“蛋白冠”（protein corona），从而掩盖其活性表面，严重阻碍其选择性结合Aβ肽的能力。因此，本研究旨在开发一种能够特异性识别并有效清除大脑中既存Aβ斑块的理性设计纳米结构，并阐明其作用机制。

研究设计与工作流程

研究团队的核心策略是将计算筛选、蛋白工程和纳米合成相结合，设计并制备了一种名为aβ3ftnau的蛋白-金杂化纳米结构，并对其进行了全面的功能性验证。该研究的工作流程可分为设计制备、机制解析、体内递送与药效评估、神经保护机制探究四个主要阶段。

第一阶段：Aβ清除纳米颗粒的设计与制备。 研究者首先进行了一个三步走的制备流程。步骤一，是计算筛选。研究团队收集了一系列已知的Aβ结合肽，通过基因融合的方式将它们展示在人源重链铁蛋白（ferritin, FTN）亚基的N端，构建了20个不同的aβFTN变体。利用AlphaFold 2预测这些变体的结构，然后使用Rosetta FlexPepDock协议对它们与已知人源Aβ结构的结合进行分子对接模拟。通过评估Rosetta打分中的总能量得分（total_sc）和重加权得分（reweighted_sc），筛选出综合表现最优的候选物aβ3ftn。酶联免疫吸附实验（ELISA）和200纳秒的全原子分子动力学模拟（MD）进一步验证了该复合物的优异结合能力和稳定性。步骤二，是自组装。利用先前开发的策略，将异质性铁蛋白亚基（即aβ3ftn亚基和野生型FTN亚基按特定比例）组装成纳米笼结构。该结构的成功形成由透射电子显微镜（TEM）表征证实，其亚基组成（4个aβ3ftn和20个野生型FTN）由SDS-PAGE分析确认。表面等离子体共振（SPR）实验显示，aβ3ftn与成熟Aβ纤维的结合解离常数（KD）为1.91 μM，而未经修饰的FTN则没有可检测到的结合。步骤三，是原位掺入金纳米团簇。利用铁蛋白内在的金属亲和特性，将金离子引入aβ3ftn蛋白骨架，通过化学还原法在金子在铁蛋白的三重对称通道内原位生成含有12个金原子、金-金原子间距为2.4-4.5 Å的纳米团簇，最终形成aβ3ftnau。该纳米颗粒在生理条件下表现出稳定的胶体完整性。功能实验表明，不含金的aβ3ftn对预制纤维的解聚作用微乎其微，而aβ3ftnau可在体外解聚91%的Aβ纤维，显著高于不含靶向肽的FTNau（79%），显示出强大的靶向解聚能力。

第二阶段：aβ3ftnau的结构基础与Aβ解聚机制解析。 研究者利用蛋白质晶体学方法，解析了aβ3ftnau3+和aβ3ftnau的高分辨率（分别为1.52 Å和1.99 Å）晶体结构。结构分析揭示了金原子的结合位点主要位于铁蛋白的三重对称通道附近，并鉴定出关键的配位残基（H118, T122, C130）。进一步的突变实验发现，将这些残基突变为丙氨酸后，金的配位被废除，且金含量下降至野生型的约55%，显著降低了aβ3ftnau的Aβ解聚活性。分子对接分析表明，aβ3ftnau的平面金纳米片与人Aβ纤维在Met35残基附近形成稳定的相互作用。通过将Aβ上的Met35突变为丙氨酸（M35A），利用微量热泳动技术（MST）和SPR均证实，aβ3ftnau与该突变型Aβ的结合能力显著减弱，且解聚效果也大大受损。这些结果阐释了一个清晰的作用机制：aβ3靶向肽将纳米结构锚定在Aβ纤维的N端，使金纳米团簇能够与Met35残基结合，从而破坏纤维边缘稳定化分子间接触，促使Aβ单体逐步解离。随后的分子动力学模拟动态地展示了此过程，并观察到从纤维上解离的外周Aβ单体的β-折叠含量由31%降至零，进一步证明了aβ3ftnau的强力解聚效果。

第三阶段：穿越血脑屏障靶向Aβ斑块与药效评估。 在体内实验中，研究者通过尾静脉注射将aβ3ftnau给予5×FAD转基因AD模型小鼠。离体成像和光片荧光显微镜等技术显示，aβ3ftnau能够有效穿越AD环境下通透性增加的血脑屏障（BBB），并在注射6小时后占据脑总体积的55.6%，且与Aβ斑块在脑海马体（HIP）和前额叶皮层（PFC）等区域表现出高度共定位。在治疗实验中，对6月龄5×FAD小鼠每4天进行一次给药，共10次。行为学评估包括Y迷宫、新物体识别（NOR）和Morris水迷宫（MWM）测试，结果显示aβ3ftnau治疗能显著恢复小鼠的认知功能。例如，在Y迷宫测试中，治疗组将自发交替率从约50%恢复至约70%；在MWM的探查实验中，治疗组小鼠到达平台区域更快，在目标象限停留时间更长。脑组织检测证实，aβ3ftnau治疗可显著降低大脑中的可溶性和不溶性Aβ水平，使海马区的斑块覆盖面积减少至对照组的26.3%。同时，长时程增强（LTP）记录的恢复和高尔基染色显示树突棘密度回升，均表明突触完整性和可塑性得到了有效保护。

第四阶段：单细胞RNA测序揭示神经保护机制。 为阐明背后的保护机制，研究者对海马细胞进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq）。结果发现，5×FAD小鼠中疾病相关小胶质细胞显著富集，并且与神经炎症和突触修剪相关的通路被过度激活。经过aβ3ftnau治疗后，这些变化被显著逆转。CellChat分析进一步揭示，aβ3ftnau治疗能显著抑制过度活化的Apoe和Trem2相关信号网络。免疫荧光实验也证实，治疗后Aβ与Apoe的共定位、Apoe介导的小胶质细胞Trem2激活、以及Trem2阳性小胶质细胞与突触后标志物PSD95的相互作用均明显减少。这表明，aβ3ftnau通过重塑Aβ，减轻了由Apoe和Trem2介导的小胶质细胞过度激活和突触毒性。

结论与研究价值

本研究成功设计了一种名为aβ3ftnau的新型生物活性杂化纳米材料，它能够选择性地识别并解聚体内的Aβ斑块。这项工作的科学价值在于建立了一个理性设计蛋白-金属纳米杂化物的计算指导范式，该范示融合了结构生物学、分子模拟和纳米技术，并首次从晶体结构层面揭示了金纳米结构介导Aβ解聚的精确分子机制，即金纳米簇与Aβ的Met35残基的特异性相互作用是纤维解聚的关键。在应用价值上，aβ3ftnau在小鼠模型中展现出了穿越BBB、靶向并清除淀粉样斑块、保护突触功能以及改善认知能力的强大治疗效果，为针对AD等病理性蛋白聚集疾病的治疗策略开发提供了全新的思路和候选药物。

研究亮点

本研究的亮点主要体现在三个方面。第一是方法的创新性，研究采用了“计算筛选-蛋白设计-纳米合成”的一体化策略，理性指导了整个生物活性纳米结构的构建，克服了传统纳米材料设计中的盲目性和非特异性。第二是机制的深刻性，通过高分辨率蛋白晶体学和分子动力学模拟，结合系统的突变验证，精确地定义了aβ3ftnau中金配位残基（H118, T122, C130）与Aβ中Met35残基间的关键相互作用，清晰揭示了金纳米片多价结合导致Aβ纤维解聚的分子机制。第三是体内疗效的综合性，研究不仅证实了该纳米材料能有效穿越BBB并靶向结合斑块，更通过单细胞测序，从单细胞水平阐明了其通过抑制Apoe-Trem2信号通路、减轻小胶质细胞介导的突触毒性来发挥神经保护作用的完整机制，为从基础研究到临床应用奠定了坚实的理论和实验基础。