#NEWS 2023諾貝爾獎小新聞：石墨烯奈米聚合物應用於阿茲海默症的藥物開發

為了促進藥物投放的組織專一性，奈米顆粒除了能穿透血腦障壁（blood-brain barrier）進入腦組織，也可利用獨特物理化學特性改善腦組織免疫微環境（immune microenvironment），甚至藉由螢光特性協助腦部造影追蹤藥物分佈等。應用金屬、脂質、及其他生質聚合物的奈米微粒本身或包覆藥物分子，都在神經科學領域及癌症獲得廣泛研究。

本文作者群由美國的加州大學戴維斯分校（UC Davis）及史丹佛大學（Stanford University）組成的研究團隊 2023年發表於期刊 Small，探討經微流體技術製備出石墨烯/幾丁聚醣奈米複合物用於阿茲海默症模式大鼠，作為鼻噴劑治療的效果。這些奈米複合物經粒徑上的調整，在細胞實驗及動物實驗皆可被吸收，能在穿透鼻黏膜後，被嗅神經元透過胞吞途徑（endocytic pathways）及細胞旁運輸（transcellular pathways）最終傳遞到腦組織。[1]

生質高分子（Bio-based Polymer）

高分子奈米顆粒（Polymeric NPs），泛指呈現球型及聚合物單體構成的緻密網狀構造，其物理化學特性與單體不同，被廣泛研究於作為藥物治療或者藥物載體。其中以幾丁聚醣奈米顆粒（Chitosan nanoparticles, CS NPs）為例，結構含有胺基酸官能基同時具有正電荷。除了量子點的尺寸效應能有效穿透血腦障壁，更能與細胞膜負電吸附而促進細胞的吸收。其二是石墨烯量子點（Graphene quantum dots, GQDs），組成是螢光碳點奈米材料 (carbon-based fluorescent nanomaterials），優勢在於低細胞毒性、高生物相容性、高水溶性、可調式螢光特性（tunable fluorescence）。藥物動力學部份，石墨烯量子點經被動擴散（passive diffusion）或葡萄糖載體蛋白（glucose transporter）都可以穿過血腦障壁。

圖一、石墨烯量子點可透過細胞間被動擴散或葡萄糖載體蛋白運輸，但是合成石墨烯/幾丁聚醣奈米複合物後，主要透過與細胞膜電荷吸引完成胞吞途徑（endocytic pathways）圖片來源：https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14040835

文獻已顯示石墨烯/幾丁聚醣奈米複合物應用在阿茲海默症患者，製程中材料顆粒至關重要，以達到獨特的抑制反應，讓奈米粒子吸附及阻斷胜肽聚合成類澱粉蛋白。在阿茲海默症腦部檢體中，A1-42 多胜肽可以與幾丁聚醣奈米顆粒結合，從而避免摺疊成毒性類澱粉蛋白 (A𝛽1-42)。 [2] 值得一提，幾丁聚醣奈米顆粒對於抑制類澱粉蛋白的效應，比起團塊 (chitosan bulk) 高出200倍以上。，甚至可以專一性吸附胺基酸片段。以超微金奈米棒（ultrasmall gold nanorods）為例，超微尺度可以有效吸附Tau蛋白形成聚合斑塊的片段，藉此在構型上阻止毒性 Tau 蛋白的纖維聚合反應（fibrillation）。[3]

與幾丁聚醣奈米顆粒相近的石墨烯量子點本身也可以作為有效阻止類澱粉蛋白摺疊的治療，也曾被推論有促進神經分化增生的效果。尤其，當其尺寸小於 100 奈米（nm）時，石墨烯量子點可穿透血腦屏障（blood brain barrier, BBB），又因為兼備螢光成像的生物造影特性有利於偵測追蹤生物組織裡的攝取與分佈。

微流體元件（microfluidics device）

微流體元件是指製造出單分散奈米粒子（monodispersed NPs）的技術，這樣的材料設計常被應用於藥物投放，實務上能快速混合、降低材料損耗、且容易使用。微流體技術能調控顆粒介於 10-200 nm 以應用不同的組織專一性，其中鼻噴劑奈米藥物投放至神經組織其尺寸必須小於 100 nm。

以幾丁聚醣高分子奈米顆粒為例，微流體晶片（microfluidic chip）製程就是應用三磷酸鈉鹽（tripolyphosphate, TPP）作為帶負電荷的交聯劑（crosslinker），將幾丁質醣單體構成高分子聚合物。如此一來的聚醣分子大小比單純混合奈米顆粒單體時，有更高的均質性。基於氫鍵鍵結彼此吸引，合成石墨烯/幾丁聚醣複合物（CS/GQD NPs）的技術相對容易，同時幾丁聚醣上的電荷可以避免石墨烯集聚，從而保留其螢光特性，有利於螢光成像的生物造影偵測追蹤。

微流體製程奈米複合物與阿茲海默症模式

作者們首先介紹了使用石墨烯/幾丁聚醣奈米複合物經神經元吸收以及分佈的成果。在神經膠細胞瘤細胞（neural glioma C6 cells）給藥的實驗中，細胞存活率與時間和劑量相關，在24小時內，較低劑量濃度有較佳的存活率。在安定性試驗中，經冷凍乾燥的石墨烯/幾丁聚醣奈米複合物也顯示出良好的安定性，在室溫放置三十天後奈米粒的形狀也沒有明顯改變。

阿茲海默症腦組織的酸性微環境（acidic microenvironment）也被視為是腦部持續加速發炎老化的現象之一。而幾丁聚醣在酸鹼性質部份的貢獻，其一可透過官能基修飾中的脂胺族結構（aliphatic amine group），提升在酸性環境（pH < 6.5）的可溶性，其二則是得利於酸性環境（pH < 5.0）由負電轉為帶正電荷的特性，能避免細胞胞內體（endosome）分解奈米複合物而持續留在細胞質。[4] 石墨烯與親水性幾丁聚醣構成複合物後，便能利用與幾丁聚醣的網狀結構特性擴散入腦組織，發揮其方向性指引（topological contact guidance）特性，提升神經訊息傳遞並被認為有促進軸突新生的效益（axonal regeneration）。[5] 然而遺憾的是在直接療效上本研究顯示，即便阿茲海默模式大鼠（STZ-induced Alzheimer’s-like rat model）接受治療後在記憶表現有所提升，但海馬迴（hippocampal gyrus）區域並無顯著增加神經滋養因子（MAP2 and NeuN），也沒有顯著抑類澱粉蛋白合A𝛽）的效果。

圖二、體外製備微流體石墨烯/幾丁聚醣奈米複合物，並分析不同製備條件的複合物其高解析度電子顯微鏡（HR-TEM）、X射線繞射（XRD）、傅立葉變換紅外線光譜（FTIR）、導電率、ζ電位、穩定性等特性研究。圖片來源：https://doi.org/10.1002/smll.202207626

圖、將同度微流體石墨烯/幾丁聚醣奈米複合物經鼻腔給藥及直接注射後，分析螢光造影藥物分佈、記憶行為、電子顯微鏡組織觀察、類澱粉染色、免疫化學神經滋養因子分析。圖片來源：https://doi.org/10.1002/smll.202207626

結論

本篇就石墨烯/幾丁聚醣奈米複合物特性製備及模式大鼠投藥後療效做了完整呈現，在治療後的大鼠能發現成功的專一性投藥至神經系統，並且達到記憶與行為的進步，但在拓展到神經滋養因子、軸突再生、類澱粉蛋白聚合的等等假設上的附帶價值仍待驗證。呼應此次獲化學獎的石墨烯量子點，奈米複合物透過結合生質聚合物或金屬粒子，保存石墨烯的量子點特性外更能帶來生醫應用潛力。[6]　