新型exosome锚定肽介导的生物纳米载药系统在杜兴肌肉萎缩症上的靶向治疗研究

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a lethal, degenerative neuromuscular disorder, with no effective treatment available in the clinic. Antisense oligonucleotide (AO) – mediated exon skipping therapy shows promise for DMD patients with recent encouraging clinical outcomes. However insufficient systemic delivery and the lack of muscle targeting limit clinical adoption of AOs. Thus, development of effective, muscle-targeted delivery systems is urgently needed. To address this unmet medical need, previously our groups piloted the use of exosomes, nano-scale membrane vesicles released by cells, as a targeted delivery vehicle for exogenous oligonucleotides. Despite the success of using exosomes for targeted delivery of oligonucleotides in vivo, the drug-loading efficiency remains extremely low and the modification process is time-consuming. To improve the drug loading and targeted modification of exosomes, we identified a novel exosomal anchor peptide with phage display screening. Our preliminary data indicated that this exosomal anchor peptide can increase the drug loading efficiency and simplify the targeted modification of exosomes. Therefore, in this proposal, we aim to investigate the feasibility and potential of this novel exosomal anchor peptide-based exosome delivery system for targeted therapy of DMD. With detailed in vitro and in vivo studies in DMD models, we wish to provide a new strategy and avenue for treating DMD patients. Further studies on the underlying mechanism will facilitate the understanding and provide a direction for further improvement.

杜兴肌肉萎缩症是一种致死性的神经肌肉退行性疾病，临床缺乏有效的治疗方法。反义寡核苷酸介导外显子跳读疗法在临床试验中显示出喜人的应用前景，但其面临的最大局限为系统运输效率低、缺乏肌肉靶向性等。本课题组前期开创性地将exosome（一种细胞分泌的纳米级生物囊泡结构）用于核苷酸药物的靶向运输，然而exosome药物装载及靶向修饰存在效率低、修饰过程复杂等缺点。针对这些缺点，本课题组利用噬菌体展示筛选获得一种新型exosome锚定肽，该锚定肽可显著提高exosome负载寡核苷酸药物效率、简化靶向修饰步骤，并介导药物在肌肉中的高效运输，研究结果为exosome的功能化提供了新的思路。本项目拟通过对这一新型锚定肽介导的生物纳米载药系统在杜兴肌肉萎缩症模型上详细的体外、体内系统测试，验证其介导药物运输的可行性和应用潜力，并通过对其作用机理的阐释，以期为杜兴肌肉萎缩症的靶向治疗提供一种新的治疗模式和策略。

杜兴肌肉萎缩症是一种致死性的神经肌肉退行性疾病，临床缺乏有效的治疗方法。反义寡核苷酸介导外显子跳读疗法在临床试验中显示出喜人的应用前景，但其面临的最大局限为系统运输效率低、缺乏肌肉靶向性等。本课题组前期开创性地将exosome（一种细胞分泌的生物纳米囊泡结构）应用于核苷酸药物的靶向运输，然而exosome药物装载及靶向修饰存在效率低、修饰过程复杂等缺点。针对以上科学问题，本项目首先建立了基于exosome锚定肽-CP05的新型反义寡核苷酸药物负载系统，并将其应用于杜兴肌肉萎缩症疾病的治疗研究，显示出良好的临床转化前景。研究结果显示，该药物运输系统可显著提高反义寡核苷酸药物PMO的exosome负载效率及系统运输能力，在杜兴肌肉萎缩症动物模型-mdx小鼠上进行的局部及系统测试结果表明，与对照组相比，低剂量PMO系统给药的治疗方案下（12.5mg/kg，每周1次，连续3次给药）就能够显著提高mdx小鼠肌纤维Dystrophin阳性纤维约18倍，且能够实现肌肉功能的部分恢复，具有一定的治疗效果。高剂量治疗方案结果显示出更为有效的治疗效果和良好的生物安全性。进一步，为提高exosome负载药物的组织靶向运输效率，通过嵌合短肽的方式，将多种组织靶向性短肽（肌肉组织靶向肽-M12，脑组织靶向肽-RVG，肝癌组织把系统-SP94）分别通过CP05负载至exosome表面，结果均显示出了高效的负载效率及组织靶向性运输潜力。基于此，本项目成功将肌肉组织靶向肽-M12与PMO药物共负载至exosome表面，在mdx小鼠上的测试结果显示出高效的PMO系统靶向运输及治疗潜力。为进一步优化该新型药物运输系统，对exosome负载PMO在胞内运输途径的研究表明，其药物运输途径基本与exosome一致，提示基于CP05的exosome药物运输系统对PMO运输的重要作用。同时，针对该锚定肽-CP05的血清稳定性测试及氨基酸序列分析为锚定肽的进一步优化提供实验基础。综上，该新型药物靶向运输系统的成功建立，将为杜兴肌肉萎缩症的治疗研究提供一种安全高效的靶向治疗模式和策略。