点击蓝字，关注我们！
血-脊髓屏障（BSCB）严格调节分子从血液到脊髓的运输。团队提出了一种暂时调节BSCB通透性的方法，并将肽局部递送到脊髓，以高空间分辨率进行行为调节。该方法利用针对血管的纳米颗粒的光学刺激，允许无显著胶质细胞激活或动物运动行为影响的情况下，将BSCB不透过的分子递送到脊髓。团队展示了使用光纤和腰椎区域的BSCB通透性调节进行微创的光递送到脊髓。团队的方法允许将一种中枢作用和引起瘙痒的肽bombesin递送到脊髓，并诱导小鼠迅速和暂时地增加瘙痒行为。这种微创的方法使得在不进行基因修改的情况下进行行为调节成为可能，并且对以高时空分辨率将各种生物制剂递送到脊髓的潜在疗法具有前景。该研究以题目“Spatially Precise and Minimally InvasiveDelivery of Peptides to the Spinal Cord for Behavior Modulation“发表在ACS Nano (DOI:10.1021/acsnano.4c06030) 。预印本发表在bioRxiv (DOI: 10.1101/2022.05.20.492752)
脊髓损伤或疾病导致的障碍可以显著降低生活质量，降低患者的运动能力和基本功能控制，如排尿。不同的治疗方法用于治疗脊髓疾病，包括神经保护、干细胞治疗、促生长和再生治疗，以及神经回路康复。然而，血-脊髓屏障（BSCB）显著降低了对脊髓组织的治疗递送。BSCB的结构与血-脑屏障（BBB）相似，由内皮细胞、紧密连接、基底膜和星形胶质细胞末端组成一个功能性神经血管单元和高度调节的屏障。BSCB保护脊髓免受血液中危险循环物质的影响；然而，BSCB也显著阻碍了对脊髓疾病的有益治疗，因为它只允许特定分子（如水、小离子、气体和小或脂溶性分子）通过组织。已知BBB和BSCB阻止约98%的小分子药物和几乎所有大分子通过中枢神经系统（CNS）。因此，规避BSCB的技术将为增强对脊髓的治疗递送打开许多机会。不同的技术可能绕过CNS血液屏障，如微泡（MBs）聚焦超声（FUS）或鞘内递送到脑脊液（CSF），但这些方法在脊髓内的应用有限。 通过FUS和充气微泡介导的暂时BSCB调节在改善脊髓递送方面前景良好，基于在大脑中获得的良好结果。然而，脊髓管内的超声由于反射脊椎骨和复杂的脊柱几何形状而产生驻波，FUS可能导致超声波在骨骼中的声热沉积，复杂化了该技术在BSCB调节中的应用。
鞘内递送到脑脊液（CSF）已经被用于对于软膜病的药物治疗。然而，由于胶质极限的屏障特性，脑脊液中的药物无法自由地与脑和脊髓间质空间交换，这些胶质极限是由围绕内皮细胞的星形胶质细胞末端形成的。因此，通过这种方法递送治疗药物在脊髓实质中的渗透性有限，且无法针对特定位置。因此，局部递送治疗药物到脊髓以治疗疾病仍然是一个挑战。光可以以优异的时空控制照亮感兴趣的区域。例如，最近的研究设计了在小鼠中植入的硬膜外光电系统，以光刺激脊髓进行光遗传学应用。此外，Busch等人开发了光纤方法，通过侧向照明监测猪模型中的脊髓血流动力学，从而实现对大多数脊髓区域的微创访问。此外，在人类中，直径小于2.5毫米的内窥镜可以在脊髓管的蛛网膜下腔内移动。临床医生还调整了脊髓激光间质热疗（LITT）用于治疗人类患者脊髓中的肿瘤。团队的最新研究表明，通过针对血管的金纳米颗粒和短脉冲激光光的光学刺激，可以调节血-脑屏障（BBB）并将分子递送到脑组织。短脉冲激励等离子体金纳米颗粒会诱发光机械效应，释放机械波能量影响内皮细胞。反过来，在体外条件下，这种BBB调节与激光激发后Ca2+的瞬时升高相关，并传播到相邻的内皮细胞，扩展BBB开放的区域，涉及内部Ca2+耗竭和Ca2+内流。此外，肌动蛋白聚合和Ca2+依赖的ERK1/2磷酸化的参与导致细胞骨架激活，增加了细胞旁渗透性。这些研究证明了激发针对内皮的金纳米颗粒如何导致血-脑屏障通透性增加的可行性，并提供了机制上的见解。
在此研究中，团队专注于对脊髓的精确和微创光递送，并展示了通过光学改变BSCB局部通透性（以下简称为optoBSCB），将系统性给药的生物制剂（即肽）递送到脊髓并进行瘙痒调节。肽代表了一类多样的神经调节剂，对神经元产生调节作用。团队在一种啮齿动物模型中使用微创光纤（BSCB-Fiber）调节了BSCB，而没有显著影响运动行为，绕过脊椎，直接将光递送到脊髓以调节BSCB通透性。因此，团队预计团队的光学技术将为局部递送广泛的神经调节剂提供有效和安全的工具。团队的技术拓宽了许多不同分子和治疗药物以高时空精度微创递送到脊髓的途径。
图1. BSCB调节。 (A)激光和等离子体纳米颗粒驱动的血-脊髓屏障调节示意图（optoBSCB）。当前示意图用于（C）和（D）中的结果，其中应用了自由空间的皮秒激光脉冲。激光条件：10脉冲，频率为5 Hz，激光能量密度为20-25 mJ/cm²。(B) AuNP-BV11和AuNP-PEG在脊髓中的生物分布比较（注射后1小时）。动物被静脉注射了18.5 mg/kg的AuNP-BV11或AuNP-PEG（N=3，*P<0.05，t检验）。(C)提取的脊髓的照片和(D)小鼠脊髓切片的荧光图像（在C中用白线指示）显示在用AuNP-BV11 +激光处理的脊髓组织区域中，Evans蓝染料的渗透（上图），而单独使用激光的区域没有染料渗透（下图）。比例尺：1 mm。(E)概述图（比例尺：1 mm）和(F)高分辨率图像，显示在脊髓中从Dylight 649-lectin、可固定的荧光素葡聚糖（FD70，70 kDa）和生物素（约600 Da，使用Cy3标记的链霉亲和素染色）发出的荧光信号，比较了应用激光与未应用激光的区域的小鼠脊髓。比例尺：100 μm。
图2.空间精确的BSCB调节及其随时间的恢复。 (A) BSCB-Fiber调节的光纤光输送示意图及实验方案。对麻醉的小鼠使用异氟烷进行静脉注射和光刺激。(B)在激光刺激后1小时、24小时和72小时的BSCB通透性与未进行激光刺激的区域进行比较。显示了Dylight 649-lectin、可固定的荧光素葡聚糖（70 kDa）和生物素（600 Da）的叠加图像。比例尺：100 μm。(C)在BSCB开启后1小时、24小时和72小时的生物素和荧光素葡聚糖区域的定量比较，相对于lectin区域进行标准化（N=3只小鼠，每只小鼠3张图像，*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001，****P<0.0001，使用Mann−Whitney U检验）。
图4.通过BSCB-Fiber进行局部肽递送到脊髓及行为调节。 (A) BSCB-Fiber调节的肽递送示意图和实验流程。(B)与完整BSCB的对照小鼠相比，开放BSCB的小鼠表现出增加的瘙痒行为。每组N=4。*P < 0.05（调整后），开放与完整BSCB组在0−5分钟时间段的比较。0−5分钟时间点的值显示出较大的标准误差（SEM），这是由于行为数据的高度变异性。(C, D) BSCB调节对运动协调性和后爪温度的影响。每组N=5；n.s.，无显著性差异。数据以均值±标准误差（SEM）表示。使用双向ANOVA和Bonferroni校正进行多重比较。
该综上所述，optoBSCB和BSCB-Fiber都有潜力提高脊髓中的药物递送效率，适用于基础研究和临床应用。BSCB-Fiber绕过脊椎，直接将光递送到脊髓表面，从而安全有效地局部递送多种不同的分子。如之前的研究所讨论，团队假设等离子体纳米颗粒和光刺激的结合会对内皮细胞和紧密连接产生光声效应，这影响钙的摄取并暂时增强通透性。在人类中，矢状脊髓硬膜外腔的宽度在2.20到5.15毫米之间（取决于脊髓区域），而硬膜外腔的宽度在3到6毫米之间，这对于在硬膜外腔内放置导管来说足够大。因此，可以使用更大的光纤将光递送到患者的脊髓。基于光纤的探针不仅在临床前测试中具有先例，例如在猪模型中监测脊髓血流动力学，这可以接触到脊髓的大多数颈椎到腰椎区域，而且在患者的脊髓肿瘤治疗中也应用了脊髓激光间质热疗。在临床上，使用光学技术识别硬膜外针通过的组织，可以减少猜测，从而正确识别针头是否插入硬膜外腔或硬膜下腔。硬膜外探针对脊髓组织的风险较小，而穿透硬脊膜的探针风险更高。在进一步的研究中，团队的技术可以与光纤结合用于治疗过程中的功能监测，从而在单一光纤中实现微创的治疗诊断。BSCB-Fiber可以与磁共振成像（MRI）、微型CT和先进的脊髓内窥镜（白光和荧光）结合使用，以实现图像引导的递送。BSCB-Fiber的一个限制是由于脊髓外白质中轴突的复杂排列，导致在可见光谱（380−700nm）中的光散射，光的穿透能力较低。为了解决这个问题，可以使用近红外激光脉冲以更深入地穿透组织。具有近红外光吸收的纳米颗粒，如金纳米棒、纳米海胆和纳米星，也可以替代本研究中使用的纳米球，以调节脊髓更腹侧区域的BSCB。此外，本研究中使用的光纤小直径也限制了光的穿透；更大的光束可以以更大的面积和深度打开BSCB。因此，团队预见到使用大直径光纤和具有近红外吸收的等离子体纳米颗粒将在大型动物和人类脊髓中实现更深的调节。另一个关注点是BSCB-Fiber调节后可能出现的胶质瘢痕。根据团队比较GFAP和Iba1在免疫组化染色中的荧光结果以及之前的研究. 关于血-脑屏障（BBB）调节，团队不认为会有显著的胶质瘢痕影响治疗药物的递送。目前，BBB或BSCB的开放更适合于单次给药或不频繁的治疗给药。鉴于CGRP免疫反应性和IB4结合的变化不大，团队也预计这种方法对从形态和突触完整性角度结束于浅背角的神经末梢的影响有限。
团队提出了一种有效的方法来调节脊髓中的BSCB通透性及其促进肽递送的能力。与当前的方法（如超声和硬膜外递送）相比，这种方法提供了卓越的时空分辨率和灵活性，能够以最小的侵入性实现脊髓的局部递送。此外，BSCB-Fiber能够递送生物制剂，而不对局部细胞和行为产生负面影响。团队将诱发瘙痒的肽递送到小鼠的脊髓中，并诱导了短暂的瘙痒行为，而没有损害运动功能。团队展示了新型的的调节方法在屏障调节和强大分子递送到脊髓中的巨大灵活性。
论文链接（DOI）：
申明：本微信号转发内容仅做学术交流使用，不作为商业用途，也不代表支持或赞同其观点，如涉及知识产权保护问题或其他方面的问题请及时联系小编，我们会尽快协调处理。本微信号原创文章版权归本微信号所有，欢迎分享到朋友圈等非媒体上。
联系小编可免费投稿推送，本公众号另建有纳米医学实名学术交流群，请备注姓名+单位+研究方向添加下方微信号。
往期推荐：温州医科大学邓辉团队《Advanced Materials》：一种具有抗菌和活性氧清除特性的免疫调节水凝胶用于治疗糖尿病牙周炎
点击“阅读原文”，通往论文原文
「ENDING」
投稿微信｜nanomedicine1
投稿邮箱｜xianwenwang@126.com
关注纳米医学进展
了解纳米医学前沿
长按二维码私信投稿
