线粒体功能紊乱将引起能量产生和氧气供应的失衡，导致活性氧（ROS）的过量产生，进而引起氧化应激损伤和炎症反应，其在缺血再灌注、毒脓症和药物治疗等因素诱发的急性肾损伤（AKI）的发病机理中发挥着重要作用。因此，通过保护线粒体结构与功能，改善代谢途径和增加ROS的消耗成为了治疗AKI等线粒体功能障碍相关疾病的新型策略。

SS31（Elamipretide）是一种合成抗氧化性四肽，其可以特异性结合线粒体内膜上的心磷脂，保护线粒体内膜的结构与功能，抑制ROS的产生，降低炎症反应的水平。然而，作为一种阳离子多肽，SS31具有较短的体内循环时间，进入体内后极容易被清除，这导致其对于AKI等线粒体相关疾病的治疗效果有限。

图1. SS31-Rapa偶联物的结构和“红细胞搭便车”过程的研究。（A）SS31-DVED-Rapa的结构式。（B）SS31-C₉-Rapa的结构式。（C）SS31-Rapa偶联物和SS31的全血血浆浓度比测定。（D）通过荧光标记法考察SS31-Rapa的红细胞结合能力以及（E）荧光量化分析。（F）使用FKBP竞争剂Rapa进行前处理或后处理对SS31-Rapa偶联物红细胞结合过程的影响。（G）SS31-Rapa偶联物从红细胞中的释放情况研究。（H）SS31-Rapa偶联物的caspase-3敏感性释药研究。

为了解决这个问题，我们课题组将SS31和雷帕霉素（Rapa）共价连接，设计出了一类具有“红细胞搭便车”能力的SS31-Rapa偶联物。当注射进入血液后，SS31-Rapa偶联物中的Rapa结构域与红细胞中的FKBP（FK506 binding protein）结合蛋白发生高亲和性结合，通过模拟Rapa进入红细胞的方式驱使整个偶联物进入并蓄积于红细胞中，避免药物被血液内的代谢酶降解。相比于目前应用的红细胞载药方式，本文所设计的SS31-Rapa在注射后可以自发地分布于红细胞内，无需体外繁琐的处理，不会对红细胞的结构与功能产生损伤和发生药物意外脱落的情况。在进入损伤肾脏后，SS31-Rapa偶联物在被肾脏细胞摄取的过程中可以绕过溶酶体途径，避免了被进一步降解，并在损伤肾脏细胞内高表达的激活态caspase-3的触发下释放出SS31，发挥其保护线粒体结构和清除ROS的作用。此外，释放出SS31后的Rapa衍生物残基可以通过抑制mTOR通路来刺激自噬作用，通过溶酶体降解途径清除衰老蛋白和损伤的细胞器残骸，尤其是破损的线粒体这一ROS的最主要来源，与SS31发挥协同作用，降低氧化应激水平，提高SS31在AKI中的治疗效果。在药效学研究中，本文中所设计的SS31-DVED-Rapa可以显著降低多种因素诱导的AKI模型中血清肌酐和尿素氮的水平，改善肾脏功能，并显著降低肾脏中的氧化应激水平，减少巨噬细胞的迁移进而降低炎症反应的水平，改善肾脏尤其是肾小管的结构，减少AKI肾脏中细胞的凋亡。以上实验结果说明SS31-DVED-Rapa可以显著改善AKI引起的损伤，极大地提升SS31在治疗AKI中的药效。相比之下，分别给予SS31、Rapa、SS31与Rapa联合治疗以及氨磷汀（Amifostine）进行治疗后，损伤肾脏的恢复效果均十分有限。

图2. SS31-Rapa偶联物对顺铂诱导的AKI的治疗药效研究

图3. SS31-Rapa偶联物对缺血再灌注诱导的AKI的治疗药效研究。

以上实验结果表明，在本研究中，我们所构建的SS31-Rapa偶联物可以显著改善SS31的药代动力学性质，并提高其在治疗AKI中的药效，为线粒体功能障碍相关疾病的治疗带来了新的解决思路。此外，本文设计的基于Rapa的“红细胞搭便车”型偶联物可以有效延长药代动力学性质较差的药物的体内循环半衰期，进而显著提高其治疗效果，为红细胞载药药物递送系统的发展提供了新的策略。

图4. SS31-Rapa偶联物（SS31-DVED-Rapa）的“红细胞搭便车”过程和AKI治疗示意图。在静脉注射后，SS31-DVED-Rapa可以通过Rapa结构域与红细胞中高表达的FKBP蛋白结合介导整个偶联物完成搭便车的过程，使其免受血液内代谢酶的降解。当进入损伤的肾脏后，SS31-DVED-Rapa可以绕过溶酶体途径被肾脏细胞所摄取，并在损伤肾脏细胞高表达的激活态caspase-3的刺激下释放出SS31发挥保护线粒体内膜，清除ROS的作用，降低AKI的损伤。此外，释放出SS31后的Rapa衍生物残基可以促进细胞内的自噬作用，清除损伤的细胞器残骸，尤其是损伤的线粒体这一ROS的主要来源，与SS31发挥协同作用，降低损伤肾脏内的氧化应激水平。

文章链接 https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2023.122383