基于血脑屏障靶向多肽的脑神经分析化学研究进展

    黄嫣嫣 赵睿

    

    

    

    摘?要?将用于分析检测的分子或材料透过血脑屏障(Blood?brain barrier, BBB),使其高效靶向中枢神经系统,是实现原位、在体脑神经化学分析亟需解决的问题。多肽作为内源性生理活性物质,具有模块化的结构,不仅设计性强、构象可预测,而且利用固相合成方法可高效、低干扰地获得目标序列。以小分子多肽为穿梭工具,可将荧光分子、造影剂、纳米颗粒等高效、快速地转运到目标位置,为脑科学研究及相关疾病的检测、分子机制研究提供新方法和新技术。本文围绕BBB和多肽的特点,从BBB穿透途径和靶向多肽设计筛选方法出发,对近年来基于多肽(Peptide shuttles)的BBB靶向分析的研究进展进行了总结和评述,期望从分子、细胞到活体的角度为脑神经分析化学研究提供参考和借鉴。

    关键词?血脑屏障; 多肽; 靶向分析; 亲和筛选; 评述

    1?引 言

    脑功能的发挥离不开各种化学物质,从蛋白质等大分子到神经肽、氨基酸、胆碱等小分子,执行并调控着神经细胞内部、神经细胞之间以及大脑和外周神经之间的信号传递[1~3]。以脑神经化学物质及其特征分子活动为目标,在细胞、组织和活体层次开展实时、动态和原位分析检测,对于脑功能的解析、脑神经系统疾病的研究具有重要意义[4,5]。血脑屏障(Blood?brain barrier, BBB)是脑神经分析化学面临的一个挑战。人工设计的分子、材料或药物,必须要穿透BBB才能实现原位活体检测、示踪或调控的目的[6~8]。作为维护中枢神经系统内环境稳定的物理和功能屏障,由脑毛细血管内皮细胞与星型胶质细胞、基膜等构成的BBB具有致密结构(图1),对进入的分子具有极其严苛的选择性和限制,阻挡了98%的小分子物质和几乎所有大分子从血液进入脑组织[9~11]。因此,如何将用于分析检测的探针透过BBB,使其高效靶向地到达中枢神经系统,是实现原位、在体脑神经化学分析亟需解决的问题。随着化学、生物学和材料等学科的快速发展,以及对BBB认识的逐渐深入,新的分子、纳米材料和机制不断被发现或构建,用于穿梭BBB,在众多领域成为研究的热点[7,12~14]。

    多肽作为内源性的生理活性物质,具有生物相容性高、组织穿透能力强、性质稳定等特点[15~17]。此外,多肽分子具有模块化的结构,不仅设计性强、构象可预测,而且利用固相合成方法可高效、低干扰地获得目标序列。人工设计、合成和筛选高亲和力、高选择性的多肽是近年来的研究热点[18~20]。由于特殊的物理化学性质和生物学效应,越来越多的多肽被发现具有穿透生物屏障的能力,这些生物屏障不仅有BBB,还包括细胞膜和胃肠道膜[12,13,21]。以这些多肽为工具,可将用于脑成像的荧光分子、造影剂、纳米颗粒等高效、快速地转运到目标位置,实现脑神经化学物质和信号的原位、实时动态分析,进而为脑科学及相关疾病的检测、分子机制研究提供新方法和新技术。本文围绕BBB和多肽的特点,从BBB穿透途径和靶向多肽设计筛选方法出发,对近年来基于多肽(Peptide shuttles)的BBB靶向分析研究进展进行了归纳总结,期望从分子、细胞到活体的角度为脑神经分析化学研究提供参考和借鉴。

    2?多肽与血脑屏障

    BBB是所有物质进入大脑的必经之路,然而大脑毛细血管内皮细胞致密连接,阻断了外源性物质以细胞间转运的方式进入大脑(图1)[9,13,22]。在疾病治疗过程中,多数药物进入大脑中常是侵入性的,涉及高风险的脑损伤或神经功能障碍[13,23]。显然,该方法无法满足原位、无损分析的要求。避开细胞间质输运,通过细胞内转运克服BBB,成为一种理想方式,也成为脑分析常见的策略[12,13]。

    BBB和其它生物屏障(如细胞膜)具有类似的化学性质,其中之一便是高度亲脂性[9]。因此,增加亲脂性成为提高被动运输穿透内皮细胞效率的方法。此外,引入正电荷可增加分子和细胞表面阴离子(如糖蛋白)的相互作用,从而介导内皮细胞摄入和被动运输[24]。然而,这些化学修饰不具有选择性,所获得的产物在透过BBB的同时,也被其它组织摄取,导致脱靶。为了提高中枢神经系统的靶向选择性,可采用仿生修饰方法提高小分子的BBB穿透能力。一些生命活动的必需物質(激素、葡萄糖、氨基酸等)能快速、高效地进入大脑[25]。以这些分子的结构为指导,对目标探针进行设计和修饰,可望用于脑神经系统分析。

    相比于对每种特定化合物进行修饰,从而赋予其BBB穿透能力,发展可用于不同类别客体分子的输运载体,更具有通用性。BBB shuttles的概念最早由Pardridge教授于1986年提出[26]。第一个成功实验的是正电荷修饰的白蛋白[27],如前所述,简单电荷修饰的被动运输缺少组织靶向性,脑部聚集效率不能满足研究的要求。基于分子识别的主动运输方法由抗体首先实现[28]。以靶向细胞表面受体的抗体为载体,提高了BBB透过性,但抗原?抗体的极高亲和力使抗体滞留在BBB[29],实际进入脑实质的效率降低。BBB shuttles在历经蛋白质、抗体分子之后,多肽成为了近十年的关注点。

    多肽具有可设计性、稳定性、细胞核组织穿透性等独特优势,使其成为理想的BBB shuttles。同时,多肽相互作用亲和力可控,合适的亲和力有利于分子从BBB进一步到脑实质的释放。氨基酸是多肽的构建单元,其种类多样,结构灵活,具有丰富的可修饰位点,可用于功能化或客体偶联。从早期的源自于HIV病毒的TAT多肽实现跨越BBB转运酶[30,31],到仅有3个氨基酸残基的小分子转运载体谷胱甘肽(GSH)[32],多肽作为BBB shuttles的研究发展迅速。尤其在近五年,研究者设计和发现了30余种BBB转运多肽 [12,13],展现出更高的穿透效率和功能多样性,成为开展脑神经化学分析不可或缺的有力工具。

    3?BBB靶向转运肽的设计和亲和筛选

    多肽穿透BBB的途径分为被动运输和主动运输(图2A)[33]。一些典型的BBB转运多肽如表1所列。由于致密的BBB细胞间质难以透过,经BBB内皮细胞摄入成为了跨越屏障的主要方式。因此,可结合并进入细胞的多肽常是BBB shuttles的候选化合物。研究者从分子识别、结构设计或化合物库构建出发,采用生命分析化学方法进行筛选,以期获得新型BBB转运多肽(图2B)[13]。

    新的BBB转运体系的发现需要建立合理有效的筛选鉴定方法。目前,BBB体外筛选模型主要有基&:指Spengler等[40]描述的3字母氨基酸代码(Stands for 3?letter amino acid code from one described by Spengler et al[40]); [Dap]:二氨基丙酸(Diaminopropionic acid)。

    于细胞的体外筛选模型和平行人工膜渗透装置等[13]。在这些筛选分析的最后一步,往往需要利用高效液相色谱(High?performance liquid chromatography, HPLC)对Transwell系统中的多肽进行分离和定量分析,以确定不同多肽透过BBB的效率[41]。随着分析装置向微型化、微量化方向发展,对鉴定检测的灵敏度提出了更高的要求,LC?MS/MS成为多肽定量分析的主要手段。随着质谱技术的发展,最近建立了基于内标定量的MALDI?TOF MS方法用于BBB模型中多肽穿透效率的评价,具有快速、简便和绿色环保的优势[41]。此外,BBB转运活体研究模型主要借助脑部微透析、荧光/化学发光等成像技术[13],对进入中枢神经系统的候选化合物进行原位的定性与定量分析。分析方法和技术的进步为高效、准确的体外筛选提供了重要保障。

    3.1?被动运输多肽的设计和筛选

    被动运输多肽进入细胞时不依赖受体识别,而是采用非特异性摄入的方式。其特征理化性质包括亲脂性、富含正电荷或利于插入细胞膜的[email protected]螺旋[12]。细胞穿膜肽(Cell?penetrating peptides, CPPs)具有高效的细胞穿透能力,常作为穿透大脑内皮细胞的载体,是被动运输多肽的代表[42,43]。大部分CPPs源于天然的蛋白质结构,如HIV病毒膜融合相关蛋白质中的TAT多肽[31]。通过非特异性的细胞内吞作用(Adsorptive?mediated transcytosis,AMT),可增加荧光染料、酶和纳米颗粒等的BBB透过效率,将其运载至中枢神经系统[42]。

    基于TAT等多肽结构,通过仿生设计得到的寡聚精氨酸,属于人工设计的BBB运载多肽[44]。基于遗传算法的结构优化方法也被用于多肽物理化学性质的设计,调控的参数涉及氢键单元、脂水分配系数(lgP)等[45]。研究表明,N?甲基化的多肽具有穿透BBB的能力[28,46],在此基础上构建的具有N?MePhe重复单元的多肽,如(N?MePhe)4,曾被认为是被动运输型BBB shuttles的金标准(Gold?standard)[33]。从体外构建的BBB模型到活体应用,上述多肽实现了不同荷载分子的高效脑部运输。

    多肽化合物库(Peptide library)以其高度多样性成为新型功能分子的重要来源,无疑也为BBB转运多肽的发现提供了丰富的资源(图2)[18,47,48]。将肽库与分子设计相结合,Malakoutikhah等[49]设计了一系列多肽候选化合物,构建了固定化膜亲和色谱体系和体外膜渗透性分析体系,通过肽链长度、端基类型和取代氨基酸的筛选,获得了透过率高、生物相容性好的优选多肽,具有成为BBB被动运输有效载体的潜力。相比于被动运输多肽,肽库设计筛选更多地用于主动运输型BBB转运肽的构建,为获得具有靶向特异性的多肽提供了有效途径。

    在已有的BBB被动转运载体中,亲脂性化合物仍占多数,但其水溶性差,阻碍其进一步的活体分析和生物应用。因此,设计筛选水溶性的BBB转运多肽成为研究热点。利用脯氨酸水溶性高、特殊的亚胺和环形分子结构等特点,Arranz?Gibert等[33]将经典的N?MePhe序列与多聚脯氨酸结合,设计出新型转运多肽,不仅具有高效的BBB转运能力,而且水溶性增加了1000倍。通过替换多肽序列中氨基酸对映体,发现了生物膜穿透能力的手性歧视效应,并解析了这种歧视效应可能来源于不同手性氨基酸导致多肽二级构象的差异性。具有高水溶性的被动运输多肽在脑神经系统细胞标记和成像分析中具有良好的应用前景。

    3.2?主动运输多肽的设计筛选

    主动运输多肽通过与血脑屏障界面處的受体分子相互作用,进而由受体介导的内吞作用进入中枢神经系统。与其它BBB转运方式相比,主动运输由于具有靶向特异性,增加了中枢神经系统的富集效率,避免了外周组织非特异性分布的脱靶效应[12,13,42],在分析检测时降低了背景噪音,大大提高了选择性和灵敏度。不仅如此,主动运输方式能够携带的物质更为广泛,基本不受尺寸、表面电荷等物理化学性质的影响[12]。因此,针对BBB特有受体的分子特征,发展主动运输多肽设计筛选新方法,对于脑神经化学分析的发展具有重要意义。

    天然存在的神经生物活性物质是BBB主动运输多肽的来源之一(图2),包括内源性物质,如激素、神经肽和脂蛋白等,也可以是外源性的病毒和神经毒素[13]。最近,Pradhan等[50]从两栖动物大脑神经肽中获取了一个具有活性的四肽片段Ser?Leu?Lys?Pro(SLKP),经过结构再设计的SLKP类肽成功穿透了BBB的,并具有促进神经突触生长的活性(图3A)。蜂毒神经毒素是具有中枢神经系统主动靶向能力的天然物质,但其生物毒性大,免疫原性及易被蛋白酶酶解的缺点阻碍其在脑神经分析化学中的应用。为了解决上述问题,Teixidó研究组对蜂毒肽Apamin结构进行了结构精炼和设计,获得了环状内酰胺类肽MiniAp?4,不仅具有更高效的BBB主动运输能力,而且低毒、抗降解; 其具有的、可功能化的官能团,有利于荧光分子、蛋白质和纳米颗粒的修饰,是理想的转运载体[35]。基于环状内酰胺桥连结构有利于抑制多肽活体降解,该研究组以动物毒液成分为基础,设计了环状小肽用于金纳米颗粒的功能化。在体外细胞模型中,环肽携带运载的纳米颗粒可穿透内皮细胞,证明天然存在的神经活性物质可为BBB主动运输多肽设计和发现提供有益的借鉴(图3B)[51]。

    主动运输中起介导作用的受体非常适合作为多肽化合物库筛选的靶标,从数目庞大的候选多肽中选出与其具有高结合力的主动靶向多肽。无论是基于生物方法的噬菌体展示肽库(Phage display peptide library),还是基于化学合成的组合肽库(Combinatorial peptide library),都已成为主动靶向多肽的重要来源。以大脑内皮细胞高表达的转铁蛋白受体(Transferrin receptor, TfR)为靶标,Teixidó研究组利用体外BBB模型对所构建的噬菌体展示肽库进行筛选,获得了与TfR具有高亲和力相互作用的十二肽THRre,在细胞和活体层次均显示出BBB的高效穿透和荷载转运能力[36]。最近,该课题组为了解决活体稳定性的问题,对THRre进行了结构设计和优化,发现二分支的二价多肽可显著增加BBB摄入效率和对绿色荧光蛋白质的运载能力,实现了细胞的成像分析[52]。同样以TfR为靶标,Tan等[53]开展了噬菌体展示肽库的多轮筛选,并设置了阴性对照筛选体系,提高了多肽筛选的准确性。通过竞争结合实验,解析了优选多肽与TfR的结合位点; 利用共聚焦激光扫描显微镜和流式细胞分析确证了多肽和TfR高表达细胞的亲和力和特异性,有望成为BBB靶向多肽。

    受体的正确选择是成功发现靶向多肽的前提。目前,用于主动运输多肽筛选的受体有限,除了转铁蛋白受体,还有低密度脂蛋白、乙酰胆碱受体和胰岛素等。2007年,Kumar等[37]从病毒糖蛋白中获得了由29个氨基酸组成的多肽RVG,并发现其与神经细胞高表达的乙酰胆碱受体有特异性结合作用; 利用精氨酸进一步功能化构建的RVG?9R主动运输系统,成功实现了RNA的脑部转运。Mann等[55]以低密度脂蛋白(LDLR)受体为靶标,在高表达LDLR的细胞中开展了噬菌体展示肽库的筛选,获得了与靶标受体具有亲和力的环肽; 通过结构优化,进一步增强了与LDLR的亲和力和特异性,实现了小分子、抗体片段等不同物质的脑部高效输运。Picciolini等[56]以脑损伤相关的蛋白多糖复合物为标志物,在小鼠体内开展了噬菌体展示肽库的活体筛选。通过高通量筛选鉴定由尾静脉定位至脑部的噬菌体,得到了一个短肽CAQK,不仅具有靶向主动运载小分子的能力,还可作为纳米材料的表面修饰分子,特异性地将生物大分子转运到损伤位置。

    4?基于靶向多肽的脑神经化学分析新方法

    抗体作为经典的分子识别工具,具有高选择性和高亲和力。将抗原?抗体识别与光学、电化学等可检测信号相结合,已用于神经退行性疾病相关关键分子和物质的分析[56~58]。然而,作为生物大分子,抗体存在分子尺寸大、穿透性差、免疫原性等问题; 此外,其制备过程费时费力、易失活等性质也限制了其应用范围。利用多肽与靶标分子的特异性识别和BBB转运能力,开展脑神经化学物质和信息的高选择性、高灵敏度分析检测,对于脑功能分子机制的揭示、生理病理过程的监测和调控都具有重要意义。近几年,以多肽为识别元件和BBB转运载体,将信号分子或纳米材料高效输送至中枢神经系统,建立原位、实时的成像分析方法,从分子、细胞到活体水平为脑神经化学研究提供了直接的可视化证据。

    4.1?基于BBB靶向多肽的影像学分析方法

    经典的生物影像技术,如核磁共振成像(Nuclear magnetic resonance imaging, NMRi)、计算机断层扫描(Computed tomography, CT)、正电子发射断层扫描(Positron emission tomography, PET)等,推动了神经生理学和认知神经科学的快速发展。以靶向多肽对造影剂或显影剂进行功能化,可提高BBB的穿透和富集效率,降低毒性,增加稳定性和水溶性,在脑部病变的早期检测中被广泛研究和应用[59,60]。

    美国堪萨斯大学Tabanor等[61]采用羧基端酰胺化的六肽HAV6(Ac?SHAVSS?NH2),考察了多肽功能化前后的钆试剂在脑部NMRi成像中的效果。经过尾静脉注射,含有多肽的钆显影剂获得了更好的脑部定位和富集效率; 在多肽的作用下,在不同脑区都可检测到核磁信号,显示了多肽对小分子显影剂的脑部输运能力。基于谷胱甘肽(GSH)与GSH受体的特异性识别作用,Nosrati等[62]设计合成了GSH功能化的磁性纳米材料,利用NMRi开展了小鼠模型中纳米材料的成像分布分析,观测到多肽介导的BBB高效穿透和负载分子的靶向富集效应。

    纳米颗粒可组装不同的功能单元,已成为疾病检测和治疗研究的热点。Frigell等[63]以葡萄糖保护的金纳米颗粒为平台,组装了68Ga试剂作为PET信号团,以两条阿片样神经肽为BBB靶向基团,制备了多功能的纳米材料,开展了生物成像分析(图4)。根据所获得的PET信号,与未修饰多肽的纳米材料相比,神经肽修饰的纳米材料的BBB穿透能力增加了3倍,显示了其在脑成像研究中的应用前景。

    将疾病特征的生理信号作为刺激,诱导影像信号的产生,可用于区分正常组织和病变组织,在术中病变组织的准确切除中具有重要的指导意义。Gao等[39]根据脑肿瘤区别于正常组织的酸性微环境,构建了酸刺激响应的NMRi和表面增强拉曼(Surface?enhanced resonance Raman spectroscopy, SERRS)雙模态成像系统,用于指导脑肿瘤手术。他们设计了两种表面修饰Angiopep2多肽的金纳米颗粒Au?AZ和Au?AK。在多肽与受体的相互作用下,Au?AZ和Au?AK穿透BBB进入脑组织; 脑肿瘤组织中的Au?AZ和Au?AK脱去表面保护层,暴露出可发生点击反应的官能团而交联聚集,使NMRi和SERRS信号均得到增强; 在正常组织中则不会发生这种现象。利用刺激响应的双模态成像系统,明确区分了脑肿瘤和正常脑组织的边界,为手术的成功提供了保障。

    4.2?基于BBB靶向多肽的熒光成像分析方法

    荧光成像技术以其高分辨率、高灵敏度的特点成为研究的热点,在脑神经系统分子事件的监测、情感的分子基础研究和疾病诊断中发挥了重要作用[14,64,65]。通过共价或非共价的方式将多肽与荧光染料或纳米颗粒进行偶联,可利用荧光成像可视化地筛查所设计的多肽是否定位至脑组织。 Fadzen等[66]设计并预测了具有全氟芳烃结构的大环多肽是一种新型的BBB转运肽, 利用Click反应对多肽进行荧光标记,分别在细胞球和动物模型层面通过荧光成像分析,直接观测到环肽的细胞穿透和BBB运输能力(图5A)。另一方面,利用BBB转运多肽可使荧光试剂靶向转运与高效富集到脑组织,对生理病理过程进行监测。 Cai等[67]利用聚集诱导发光染料(Aggregation induced emission, AIE)信号可控、 可提高检测的灵敏度和信噪比的特点,以靶向多肽为识别元件,构建了多肽功能化的AIE自组装纳米材料,实现了脑部肿瘤的荧光原位成像检测,准确鉴别出了病变组织的边界,在疾病诊疗中具有广阔的应用前景。

    将具有不同目标靶向的多肽组装于一个体系可提高转运的特异性,从而用于特定生理病理现象的高选择性成像分析。Zhao等[68]将分别靶向TfR和缺血的多肽修饰于脂质体,发现多肽修饰可增加脑毛细血管内皮细胞(BCEC cells)对脂质体的摄入; 对双靶向多肽修饰的脂质体进行荧光标记,利用ex vivo荧光成像观测到双靶向多肽修饰的脂质体在大脑缺血区域的特异性富集,实现了高特异性的主动运输。最近,Israel等[69]将4种具有不同靶向的多肽以排列组合的方式组装到可生物降解的聚合物(P)纳米颗粒表面,P骨架修饰罗丹明(rh)荧光分子后,通过光学成像的方式考察不同多肽修饰的P对BBB的穿透能力、在不同脑区的生物分布以及动力学过程。他们发现修饰有BBB转运肽AP2和内涵体逃逸肽的P/LLL/AP2/rh在尾静脉注射30 min后,在皮质层、中脑丘和海马区的薄壁组织中聚集并产生显著的荧光。进一步的研究表明,P/LLL/AP2/rh中AP2发挥了BBB高效的穿透作用,LLL则起到稳定聚合物纳米组装体的作用。这种双功能多肽的靶向组装体在脑神经系统的成像和神经障碍分子机制解析中具有良好的应用前景。

    除了小分子外,BBB转运肽在纳米颗粒和生物大分子的运载方面也有优异表现。兼具TfR靶向和抗生物降解能力的多肽在与量子点(Quantum dots, QDs)偶联后,可将纳米尺寸的QDs运至脑实质。利用活体双光子成像分析,观测到无多肽修饰的“裸露QDs”被滞留在脑毛细血管内,而修饰多肽QDs则可渗透毛细血管进入大脑,显示出主动运输能力(图5B)[70]。Lim等[71]从天然蛋白质中获得了新型多肽dNP2,利用荧光成像分析考察了dNP2的细胞和BBB穿透能力,继而以dNP2为靶向元件运载功能蛋白质,显示出在中枢神经系统炎症性疾病诊疗中的应用价值(图5C)。

    5?总结与展望

    靶向多肽在“血”和“脑”之间架起一座桥梁,使荧光分子、显影试剂、纳米材料等跨越屏障,将不可见、不可知的分子事件和生理过程转化为可检测的信号,为脑神经分析化学的发展和脑科学的深入研究提供了新工具和新技术。在得到长足发展的同时,随着对大脑认识和转运肽研究的深入,已有的靶标受体和多肽也不断面临新的挑战。一些目前常用的受体分子,包括TfR、LDLR等,不仅在大脑内皮细胞高表达,在外周病变组织也大量出现,降低了特异性,影响靶向多肽对BBB的高特异性定位分析。此外,多肽在具有高生物相容性的同时,也可能被机体内的水解酶降解,因此,增加其生物稳定性也是亟需解决的问题,对于活体、原位、长时程示踪分析具有重要意义。

    References

    1?Glass R I. Nature, ?2015, 527 (7578): S150

    2?Cheng H, Li L, Zhang M, Jiang Y, Yu P, Ma F, Mao L. TrAC?Trends Anal. Chem., ?2018, ?109: 247-259

    3?Grochowski C, Blicharska E, Krukow P, Jonak K, Maciejewski M, Szczepanek D, Jonak K, Flieger J, Maciejewski R. Front. Chem., ?2019, ?7: 115

    4?The PsychENCODE Consortium. Science, ?2018, ?362(6420): 1262-1263

    5?Wu F, Yu P, Mao L. ?Chem. Soc. Rev., ?2017, ?46(10): 2692-2704

    6?Pardridge W M. Drug Discov. Today, ?2007, ?12(1-2): 54-61

    7?Furtado D, Bjrnmalm M, Ayton S, Bush A I, Kempe K, Caruso F. Adv. Mater., ?2018, ?30(46): 1801362

    8?Zhang P, Cui Y, Anderson C F, Zhang C, Li Y, Wang R, Cui H. Chem. Soc. Rev., ?2018, ?47(10): 3490-3529

    9?Abbott N J, Patabendige A A K, Dolman D E M, Yusof S R, Begley D J. Neurobiol. Dis., ?2010, ?37(1): 13-25

    10?Zlokovic B V. Neuron., ?2008, ?57(2): 178-201

    11?Pardridge W M. Curr. Opin. Pharmacol., ?2006, ?6(5): 494-500

    12?Snchez?Navarro M, Teixidó M, Giralt E. Acc. Chem. Res., ?2017, ?50(8): 1847-1854

    13?Oller?Salvia B, Sánchez?Navarro M, Giralt E, Teixidó M. Chem. Soc. Rev., ?2016, ?45(17): 4690-4707

    14?Lin T, Zhao P, Jiang Y, Tang Y, Jin H, Pan Z, He H, Yang V C, Huang Y. ACS Nano, ?2016, ?10(11): 9999-10012

    15?Huang Y, Jin Y, Zhao R. Sci. China Chem., ?2016, ?59(10): 1250-1257

    16?Zhu Y, Huang Y, Jin Y, Gui S, Zhao R. Anal. Chem., ?2019, ?91(3): 1880-1886

    17?Lee S, Xie J, Chen X. Chem. Rev., ?2010, ?110(5): 3087-3111

    18?Gray B P, Brown K C. Chem. Rev., ?2014, ?114(2): 1020-1081

    19?Boylea A L, Woolfson D N. Chem. Soc. Rev., ?2011, ?40(8): 4295-4306

    20?Zhang S, De Leon Rodriguez L M, Leung I K H, Cook G M, Harris P W R, Brimble M A. Angew. Chem. Int. Ed., ?2018, ?57(14): 3631-3635

    21?Bechara C, Sagan S. FEBS Lett., ?2013, ??587(12): 1693-1702

    22?Zhao Z, Nelson A R, Betsholtz C, Zlokovic B V. Cell, ?2015, ?163(5): 1064-1078

    23?Mitragotri S, Burke P A, Langer R. Nat. Rev. Drug Discovery, ?2014, ?13(9): 655-672

    24?Lu C T, Zhao Y Z, Wong H L, Cai J, Peng L, Tian X Q. Int. J. Nanomed., ?2014, ?9:2241-2257

    25?Nagpal K, Singh S K, Mishra D N. Expert. Opin. Drug Delivery, ?2013, ?10(7): 927-955

    26?Pardridge W M. Endocr. Rev., ?1986, ?7(3): 314-330

    27?Kumagai A K, Eisenberg J B, Pardridge W M. J. Biol. Chem., ?1987, ?262(31): 15214-15219

    28?Friden P M, Walus L R, Musso G F, Taylor M A, Malfroy B, Starzyk R M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, ?1991, ?88(11): 4771-4775

    29?Yu Y J, Zhang Y, Kenrick M, Hoyte K, Luk W, Lu Y, Atwal J, Elliott J M, Prabhu S, Watts R J, Dennis M S. Sci. Transl. Med., ?2011, ?3(84): 84ra44

    30?Frankel A D, Pabo C O. Cell, ?1988, ?55(6): 1189-1193

    31?Schwarze S R, Ho A, Vocero?Akbani A, Dowdy S F. Science, ?1999, ?285(5433): 1569-1572

    32?Gaillard P J, Appeldoorn C C, Rip J, Dorland R, van der Pol S M, Kooij G, de Vries H E, Reijerkerk A. J. Control. Release, ?2012, ?164(3): 364-369

    33?Arranz?Gibert P, Guixer B, Malakoutikhah M, Muttenthaler M, Guzmn F, Teixidó M, Giralt E. J. Am. Chem. Soc., ?2015, ?137(23): 7357-7364

    34?Teixidó M, Zurita E, Malakoutikhah M, Tarragó T, Giralt E. J. Am. Chem. Soc., ?2007, ?129(38): 11802-11813

    35?Oller?Salvia B, Sánchez?Navarro M, Ciudad S, Guiu M, Arranz?Gibert P, Garcia C, Gomis R R, Cecchelli R, García J, Giralt E, Teixidó M. Angew. Chem. Int. Ed., ?2016, ?55(2): 572 -575

    36?Prades R, Guerrero S, Araya E, Molina C, Salas E, Zurita E, Selva J, Egea G, López?Iglesias C, Teixidó M, Kogan M J, Giralt E. Biomaterials, ?2012, ?33(29): 7194-7205

    37?Kumar P, Wu H, McBride J L, Jung K E, Kim M H, Davidson B L, Lee S K, Shankar P, Manjunath N. Nature, ?2007, ?448(7149): 39-43

    38?Demeule M, Régina A, Ché C, Poirier J, Nguyen T, Gabathuler R, Castaigne J P, Béliveau R. ?J. Pharmacol. Exp. Ther., ?2008, ?324(3): 1064-1072

    39?Gao X, Yue Q, Liu Z, Ke M, Zhou X, Li S, Zhang J, Zhang R, Chen L, Mao Y, Li C. Adv. Mater., ?2017, ?29(21): 1603917

    40?Spengler J, Jiménez J C, Burger K, Giralt E, Albericio F. J. Peptide Res., ?2005, ?65(6), 550-555

    41?Arranz?Gibert P, Guixer B, Prades R, Ciudad S, Giralt E, Teixidó M. Sci. Rep., ?2019, ?9: 4875

    42?Spicer C D, Jumeaux C, Gupta B, Stevens M M. Chem. Soc. Rev., ?2018, ?47(10): 3574-3620

    43?Peraro L, Kritzer J A. Angew. Chem. Int. Ed., ?2018, ?57(37): 11868-11881

    44?Futaki S, Suzuki T, Ohashi W, Yagami T, Tanaka S, Ueda K, Sugiura Y. J. Biol. Chem., ?2001, ?276: 5836-5840

    45?Kumagai A K, Eisenberg J B, Pardridge W M. J. Biol. Chem., ?1987, ?262(31): 15214-15219

    46?Ghasemy S, García?Pindado J, Aboutalebi F, Dormiani K, Teixidó M, Malakoutikhah M. Bioorg. Med. Chem., ?2018, ?26(8): 2099-2106

    47?Huang Y, Zhao R, Fu Y, Zhang Q, Xiong S, Li L, Zhou R, Liu G, Chen Y. ChemBioChem, ?2011, ?12(8): 1209-1215

    48?He J, Gui S, Huang Y, Hu F, Jin Y, Yu Y, Zhang G, Zhang D, Zhao R. Chem. Commun., ?2017, ?53(80): 11091-11094

    49?Malakoutikhah M, Teixidó M, Giralt E. J. Med. Chem., ?2008, ?51(16): 4881-4889

    50?Pradhan K, Das G, Gupta V, Mondal P, Barman S, Khan J, Ghosh S. ACS Chem. Neurosci., ?2019, ?10(3): 1355-1368

    51?Díaz?Perlas C, Varese M, Guardiola S, García J, Sánchez?Navarro M, Giralt E, Teixidó M. Chem. Commun., ?2018, ?54(90): 12738-12741

    52?Díaz?Perlas C, Oller?Salvia B, Sánchez?Navarro M, Teixidó M, Giralt E. Chem. Sci., ?2018, ?9(44): 8409-8415

    53?Tan Y, Liu W, Zhu Z, Lang L, Wang J, Huang M, Zhang M, Yang C. Anal. Bioanal. Chem., ?2018, ?410(3): 1071-1077

    54?David M, Lecorche P, Masse M, Faucon A, Abouzid K, Gaudin N, Karine V, Gassiot F, Ferracci G, Jacquot G, Vlieghe P, Khrestchatisky M. Plos One, ?2018, ?13(2): e0191052

    55?Mann A P, Scodeller P, Hussain S, Joo J, Kwon E, Braun G B, Tarmo M, She Z G, Kotamraju V R, Ranscht B, Krajewski S, Teesalu T, Bhatia Sangeeta, Sailor M J, Ruoslahti E. Nat. Commun., ?2016, ?7: 11980

    56?Picciolini S, Gualerzi A, Vanna R, Sguassero A, Gramatica F, Bedoni M, Masserini M, Morasso C. ?Anal. Chem., ?2018, ?90(15): 8873-8880

    57?Zhao G, Wang Y, Li X, Yue Q, Dong X, Du B, Cao W, Wei Q. Anal. Chem., ?2019, ?91(3): 1989-1996

    58?Yin Z, Wang S, Shen B, Deng C, Tu Q, Jin Y, Shen L, Jiao B, Xiang J. Anal. Chem., ?2019, ?91(5): 3539-3545

    59?Chen X, Park R, Shahinian A H, Tohme M, Khankaldyyan V, Bozorgzadeh M H, Bading J R, Moats R, Laug W E, Contia P S. Nucl. Med. Biol., ?2004, ?31(2): 179-189

    60?Writer M J, Kyrtatos P G, Bienemann A S, Pugh J A, Lowe A S, Villegas?Llerena C, Kenny G D, White E A, Gill S S, McLeod C W, Lythgoe M F, Hart S L. J. Control. Release, ?2012, ?162(2): 340-348

    61?Tabanor K, Lee P, Kiptoo P, Choi I Y, Sherry E B, Eagle C S, Williams T D, Siahaan T J. Mol. Pharmaceut., ?2016, ?13(2): 379-390

    62?Nosrati H, Tarantash M, Bochani S, Charmi J, Bagheri Z, Fridoni M, Abdollahifar M A, Davaran S, Danafar H, Manjili H K. ACS Biomater. Sci. Eng., ?2019, ?5(4): 1677-1685

    63?Frigell J, García I, Gómez?Vallejo V, Llop J, Penadés S. J. Am. Chem. Soc., ?2014, ?136(1): 449-457

    64?Wang X, Li P, Ding Q, Wu C, Zhang W, Tang B. Angew. Chem. Int. Ed., ?2019, ?58(14): 4674-4678

    65?Wang X, Li P, Ding Q, Wu C, Zhang W, Tang B. J. Am. Chem. Soc., ?2019, ?141(5): 2061-2068

    66?Fadzen C M, Wolfe J M, Cho C F, Chiocca E A, Lawler S E, Pentelute B L. J. Am. Chem. Soc., ?2017, ?139(44): 15628-15631

    67?Cai X, Bandla A, Chuan C K, Magarajah G, Liao L?D, Teh D B L, Kennedy B K, Thakor N V, Liu B. Mater. Horiz., ?2019, ?6(2): 311-317

    68?Zhao Y, Jiang Y, Lv W, Wang Z, Lv L, Wang B, Liu X, Liu Y, Hu Q, Sun W, Xu Q, Xin H, Gu Z. J. Control. Release, ?2016, ?233: 64-71

    69?Israel L L, Braubach O, Galstyan A, Chiechi A, Shatalova E S, Grodzinski Z, Ding H, Black K L, Ljubimova J Y, Holler E. ACS Nano, ?2019, ?13(2): 1253-1271

    70?Prades R, Oller?Salvia B, Schwarzmaier S M, Selva J, Moros M, Balbi M, Grazffl V, de La Fuente J M, Egea G, Plesnila N, Teixidó M, Giralt E. Angew. Chem. Int. Ed., ?2015, ?54(13): 3967-3972

    71?Lim S, Kim W J, Kim Y H, Lee S, Koo J H, Lee J A, Yoon H, Kim D H, Park H J, Kim H M, Lee H G, Yun Kim J, Lee J U, Hun Shin J, Kyun Kim L, Doh J, Kim H, Lee S K, Bothwell A L, Suh M, Choi J M. Nat. Commun., ?2015, ?6: 8244

    Targeted Analysis of Central Nervous System Using

    Blood?Brain Barrier Shuttle Peptides

    HUANG Yan?Yan1,2, ZHAO Rui*1,2

    1(Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, CAS Key Laboratory of Analytical Chemistry for Living Biosystems,

    Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

    2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

    Abstract?Targeted delivery of molecules and materials across blood?brain barrier (BBB) is critical for in?situ and real?time analysis of central nervous system, which is also a challenge for analytical chemistry. As a kind of endogenous bioactive species, peptides with modulate structure can be designed with predictable conformations and chemically synthesized with high efficiency and purity. Peptides can act as BBB shuttles to transport fluorescent dyes, contrast agents and nanomaterial to target tissues, providing new tools and analytical methods for brain science, disease detection and molecular mechanism investigation. This review summarizes recent advances in analytical applications of BBB shuttle peptides for studying central nervous system. Introduction on BBB, peptides as well as design and screening approaches of BBB shuttle peptides is also included.

    Keywords?Blood?brain barrier; Peptide; Targeted analysis; Affinity screening; Review