發(fā)表期刊:ACS Nano
IF:17.1
一作單位:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所
缺血性中風(fēng)是一種具有高死亡率和致殘風(fēng)險(xiǎn)的神經(jīng)功能障礙,缺氧或缺血會導(dǎo)致線粒體功能障礙,引發(fā)一系列惡性事件,包括氧化損傷、小膠質(zhì)細(xì)胞激活、炎癥過程和神經(jīng)元死亡等。由氧化應(yīng)激和炎癥因子主要引發(fā)的血腦屏障(BBB) 損傷伴隨細(xì)胞旁通透性增加,會導(dǎo)致不受調(diào)控的血腦交換,加劇中風(fēng)。缺血性中風(fēng)導(dǎo)致BBB開放后,藥物得以不受控地進(jìn)入大腦,這為給藥提供了契機(jī),但同時(shí)也與試圖封閉BBB的保護(hù)性治療策略形成了矛盾。跨細(xì)胞途徑是穿透BBB并將治療藥物選擇性遞送至大腦的可行替代方案。多酚類物質(zhì)通過誘導(dǎo)保護(hù)性自噬、修復(fù)BBB損傷、抑制小膠質(zhì)細(xì)胞極化、炎癥因子、凋亡相關(guān)蛋白及氧化應(yīng)激損傷等多重途徑,已成為缺血性中風(fēng)的治療方案。同時(shí),多酚復(fù)合物含有的兒茶酚和鄰苯三酚活性基團(tuán),能通過多種相互作用與其他物質(zhì)結(jié)合,為構(gòu)建多功能遞送系統(tǒng)提供了有利條件。
本研究開發(fā)了一種針對缺血性中風(fēng)的多層次治療策略:通過多重受體介導(dǎo)的胞吞作用穿透BBB,并利用保護(hù)性自噬對其進(jìn)行重塑,同時(shí)調(diào)控中風(fēng)后微環(huán)境。研究開發(fā)了一種摻雜Ce的楊梅素(Myr) 低聚物衍生的納米結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)能夠通過由葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體共同介導(dǎo)的BBB,并通過激活保護(hù)性自噬來調(diào)節(jié)緊密連接蛋白(TJs) 的表達(dá),從而展現(xiàn)出修復(fù)BBB的能力。Myr低聚物骨架不僅作為靶向部分,更是繼承了Myr所有多樣化藥理活性的顯著活性實(shí)體。其對氧化損傷、M1小膠質(zhì)細(xì)胞活化及炎癥因子的抑制,使這一單組分納米劑兼具骨架結(jié)構(gòu)、靶向域和治療成分的多重功能。
1.PC NPs的合成與表征
采用溶膠-凝膠技術(shù)和組裝工藝制備了聚乙烯吡咯烷酮(PVP) 修飾的Ce-多酚膠體納米顆粒(PC NPs)。首先選擇具有神經(jīng)保護(hù)作用的多酚類化合物Myr作為骨架成分,通過拜耳反應(yīng)合成Myr低聚物,再與PVP共組裝形成針狀納米結(jié)構(gòu)(PM NPs),通過螯合組裝將Ce離子摻雜到PM中,獲得具有松散結(jié)構(gòu)且高穩(wěn)定性的膠體納米顆粒(PC NPs)。
2.ROS清除特性
活性氧(ROS) 和活性氮(RNS) (統(tǒng)稱RNOS) 的生成與清除失衡可能導(dǎo)致氧化應(yīng)激和過度炎癥反應(yīng),加劇缺血性損傷。與不含Ce的PM NPs相比,PC NPs具有ROS/RNS清除能力,展現(xiàn)了其潛在的多酶模擬特性,更強(qiáng)的總抗氧化能力(T-AOC) 也證明其具有突出的缺血再灌注(I/R) 疾病治療應(yīng)用潛力。PC NPs對細(xì)胞內(nèi)ROS的清除效果同樣優(yōu)異,在抵抗H?O?誘導(dǎo)的ROS應(yīng)激時(shí),具有最佳維持正常細(xì)胞線粒體膜電位(MMP) 的能力,通過降低細(xì)胞內(nèi)ROS水平,顯著緩解線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡,保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷。
3.抗氧糖剝奪/再灌注(OGD/R) 誘導(dǎo)缺血級聯(lián)反應(yīng)的抗凋亡作用
I/R可觸發(fā)缺血級聯(lián)反應(yīng),包括興奮性毒性和神經(jīng)細(xì)胞氧化損傷。在缺血狀態(tài)下,能量耗竭和離子泵功能障礙導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣離子過量,通過釋放谷氨酸激活神經(jīng)元興奮性中毒,引發(fā)早期缺血性細(xì)胞死亡。PC NPs能有效保護(hù)細(xì)胞免受OGD/R后由興奮性毒性和氧化應(yīng)激等缺血性損傷引發(fā)的細(xì)胞凋亡。通過降低細(xì)胞內(nèi)鈣離子含量,發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。增加NRF2及其下游氧化蛋白表達(dá)來激活NRF2/HO-1通路,減少ROS產(chǎn)生,抑制氧化應(yīng)激反應(yīng)并促進(jìn)氧化還原平衡。同時(shí)也能顯著降低被激活的cleaved-caspase 3(CC3)蛋白水平,保護(hù)細(xì)胞免受OGD/R誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,提升細(xì)胞存活率。
4.自噬激活與BBB體外保護(hù)
在缺氧/低糖條件下,缺血性中風(fēng)期間不僅神經(jīng)元需要高度激活自噬來抑制異常細(xì)胞器和蛋白質(zhì)的積累,神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞同樣如此。適度誘導(dǎo)自噬可防止細(xì)胞發(fā)生一系列缺血級聯(lián)反應(yīng)。
Myr具有上調(diào)自噬的能力,而Ce摻雜進(jìn)一步增強(qiáng)了PC NPs的自噬調(diào)控能力,這可能與其更強(qiáng)的抗氧化能力和更快的內(nèi)吞作用相關(guān)。氧糖剝奪/復(fù)氧處理后細(xì)胞單層及BBB完整性受損,而PC NPs顯示出腦血管修復(fù)能力,這表明PC NPs可通過抑制mTOR通路激活自噬對抗I/R損傷,從而逆轉(zhuǎn)BBB降解,修復(fù)受損屏障并增強(qiáng)神經(jīng)元存活能力。
5.BBB穿透與內(nèi)吞機(jī)制
缺血性中風(fēng)后,能量耗竭會激活一系列調(diào)節(jié)過程以適應(yīng)多重代謝紊亂,導(dǎo)致多種細(xì)胞質(zhì)膜錨定轉(zhuǎn)運(yùn)體和受體上調(diào)表達(dá)。缺血性中風(fēng)后被腦內(nèi)皮細(xì)胞(BCEs) 過度表達(dá)的代表性受體有葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(GLU1)、鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SGLT) 和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(TfR),這些受體能夠幫助細(xì)胞適應(yīng)缺血/低血糖狀態(tài)下葡萄糖和鐵的異常攝取。
PC NPs可與缺氧/低血糖條件下BECs中過表達(dá)的GLUT1、SGLT1等轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相互作用,促進(jìn)其內(nèi)吞作用從而實(shí)現(xiàn)BBB穿透。BECs對PC NPs的內(nèi)化涉及多條通路:網(wǎng)格蛋白和SGLT1在內(nèi)吞過程中起主導(dǎo)作用,小窩蛋白、TfR和GLUT1也承擔(dān)重要內(nèi)化功能。多酚類物質(zhì)可通過GLUT1和SGLT1等葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體被細(xì)胞攝取,部分鑭系元素則依賴TfR內(nèi)化。顯然PC NPs同時(shí)繼承了Myr和Ce的多重特性,具備多受體介導(dǎo)的雙重內(nèi)吞途徑,以及小窩/網(wǎng)格蛋白依賴的內(nèi)化機(jī)制,這種多元化的內(nèi)化路徑為其生物學(xué)效應(yīng)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
6.體外抗炎效應(yīng)研究
小膠質(zhì)細(xì)胞通過減少神經(jīng)元死亡、促進(jìn)神經(jīng)再生及加速神經(jīng)功能恢復(fù),在缺血性中風(fēng)后發(fā)揮重要作用。該細(xì)胞具有兩種表型:經(jīng)典激活型(M1促炎表型) 和替代激活型(M2抗炎表型)。二者對腦功能恢復(fù)具有相反作用,前者通過產(chǎn)生有害的促炎細(xì)胞因子加劇腦損傷,而后者可減輕局部神經(jīng)炎癥并促進(jìn)腦功能恢復(fù)。因此在腦I/R的治療過程中,調(diào)控小膠質(zhì)細(xì)胞向M2表型極化至關(guān)重要,通過促進(jìn)抗炎M2表型極化,小膠質(zhì)細(xì)胞可能恢復(fù)其他細(xì)胞的功能。PC NPs能顯著促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞向M2型極化,以此進(jìn)一步緩解I/R導(dǎo)致的腦炎癥損傷。
7.腦I/R體內(nèi)治療效果研究
PC NPs能在中風(fēng)后高效富集于腦部,Ce摻雜賦予了PC NPs更強(qiáng)的腦組織穿透優(yōu)勢。Ce摻雜不僅通過三價(jià)與四價(jià)態(tài)間的價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換增強(qiáng)PC NPs的抗氧化能力,還與TfR依賴的內(nèi)吞作用相關(guān)。
中風(fēng)后被動(dòng)性BBB滲漏與主動(dòng)性跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)的疊加效應(yīng)進(jìn)一步提升了納米制劑的腦部灌注量。PC NPs對神經(jīng)元結(jié)構(gòu)具有保護(hù)作用,能夠減輕神經(jīng)損傷,有效逆轉(zhuǎn)神經(jīng)元死亡,縮小腦梗死面積。此外,PC NPs還可以上調(diào)Bcl-2表達(dá)并抑制CC3和Bax,有效緩解I/R引發(fā)的細(xì)胞凋亡。
8.改善I/R造成的BBB損傷
BBB作為大腦的保護(hù)性屏障,能阻止有害生物和物質(zhì)侵入。I/R后BBB的完整性和功能會遭到破壞,從而加劇缺血性中風(fēng)的病理進(jìn)程并改變其轉(zhuǎn)歸。PC NPs通過抑制TJs降解,有效減輕BBB破壞,保護(hù)血管形態(tài)完整性。
9.小膠質(zhì)細(xì)胞極化調(diào)控逆轉(zhuǎn)促炎微環(huán)境
I/R后,具有高吞噬活性的小膠質(zhì)細(xì)胞被激活,極化為經(jīng)典的促炎M1表型和抗炎M2表型。PC NPs可調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞極化,隨著濃度升高,PC NPs誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞向M2型極化的能力逐漸增強(qiáng)。此外,PC NPs能夠抑制NF-κB通路,從而逆轉(zhuǎn)I/R后的促炎微環(huán)境。
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