β-半乳糖苷酶调控的多肽自组装及其在抗衰老中的应用探索

The accumulation of senescent cells in vivo is closely related to the development of degenerative diseases. Targeted clearance of senescent cells is a potential strategy for the treatment of degenerative diseases, and the discovery of molecular drugs identifying senescent cells is the key factor to this strategy (Senotherapy). Our previous work has demonstrated that the bioactive small molecules in the cells triggering the extracellular or/and intracellular self-assembly of small peptides could induce cell death. β-galactosidase (β-Gal) is a characteristically overexpressed enzyme in senescent cells. Therefore, this project intends to design β-Gal-instructed peptide self-assembly hydrogels innovatively. the intracellular molecular self-assembly by the synthesized precursors under the instruction of β-Gal could induce apoptosis of senescent cells to eliminate these cells. We select senescent endothelial cells as a model to in vitro study the role of β-Gal-instructed peptide self-assembly to selectively identify and eliminate the living senescent cells. Subsequently, we construct an animal model of SD rats with aging vascular endothelium, and in vivo study the efficacy of β-Gal-instructed peptide self-assembly to improve endothelial function. The aims of this project are developing a new β-Gal instructed small peptide self-assembly system, and exploring its effect on the clearance of aging endothelial cells in vessel, which could provide new strategies for the exploitation of anti-aging molecular drugs and the treatment of degenerative diseases.

衰老细胞在体内的累积与退行性疾病的发展密切相关，靶向清除衰老细胞是治疗退行性疾病的潜在策略，而开发能识别衰老细胞的分子药物是实现该策略的关键。我们前期工作证明细胞中的活性分子能触发小分子多肽在细胞内外自组装并诱导细胞死亡。β-半乳糖苷酶(β-Gal)是衰老细胞中特异性高表达的酶，因此本项目拟创新性地设计β-Gal调控的多肽自组装水凝胶体系。其合成的水凝胶前体分子在衰老细胞中完成β-Gal调控的分子自组装，诱导衰老细胞凋亡，达到清除衰老细胞的目的。选择衰老的内皮细胞为模型，在活细胞中研究β-Gal调控的多肽自组装过程选择性识别并清除衰老细胞的作用；随后构建大鼠血管内皮衰老的模型，在体内研究β-Gal调控的多肽自组装改善血管内皮功能的效果。本研究的目标是建立全新的β-Gal调控的小分子多肽自组装体系，并探索其对血管中衰老内皮细胞的清除效果，为抗衰老分子药物的开发和退行性疾病的治疗提供新的策略。

衰老细胞作为组织器官中的“僵尸细胞”，在体内的累积严重影响健康组织的生理功能，靶向清除衰老细胞或调控衰老细胞生物学功能是一种有效的应对策略，而开发衰老细胞靶向的分子药物则是实现该策略的关键。本项目提出将衰老细胞标记物的识别分子（如β-半乳糖、白介素-6抗体）与多肽相结合，制备能够被衰老细胞特异性响应或识别的自组装纳米材料/药物，靶向衰老细胞，针对性的诱导衰老细胞凋亡或调控衰老细胞功能，减少衰老细胞对组织的影响。本项目的主要研究内容为设计并合成基于β-Gal、Anti-IL6的响应性自组装多肽前体分子/偶联药物，获得合成路线；考察相应响应性多肽化合物的自组装/共组装能力，得到一系列分子自组装纳米材料/药物，表征其微观形貌及理化性质；研究响应性多肽自组装/共组装纳米药物对衰老细胞的靶向能力，以及对衰老细胞存活率、生物学功能（活性氧、炎症）的影响；验证相关纳米药物在改善细胞衰老方面的作用和机制。以细胞实验结果为依据，建立衰老动物模型，在离体组织和动物体内考察了多肽自组装/共组装纳米药物在清除衰老细胞，改善组织衰老上的功效。获得的研究成果：成功制备基于衰老标记物靶向的小分子自组装/共组装纳米药物，验证其响应性自组装能力及细胞靶向效果，得到多肽自组装纳米药物在诱导衰老细胞凋亡、调控衰老细胞功能的初步理论依据，为衰老靶向治疗药物的设计提供了新的思路和方法，为器官退化疾病的治疗提供新的策略。本项目的主要结论有：（1）基于β-半乳糖苷酶设计的响应性分子自组装纳米材料/药物能够有效识别衰老细胞，原位的分子自组装过程能够有效降低衰老细胞的存活率，诱导衰老细胞的凋亡发生。（2）基于衰老细胞相关分泌表型（SASP）中的标记物，如细胞因子等为靶点，可设计特异性靶向定位衰老细胞，而相关抗炎抗氧化药物的引入，能够针对性对衰老细胞中的不良事件如高氧化应激，炎症发生等进行调控，从而改善衰老细胞的功能，实现对细胞衰老行为的逆向调控。