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研究背景
早期脑损伤（Early brain injury, EBI）是指蛛网膜下腔出血（Subarachnoid hemorrhage, SAH）后即刻出现的脑损伤和神经炎症。目前治疗SAH的药物由于其穿透血脑屏障（Blood brain barrier, BBB）的能力和抗炎作用有限，导致对EBI的治疗效果不理想。
纳米酶是一种纳米材料，具有类似天然酶的催化活性，给治疗中枢神经系统疾病的带来了新的可能性。与天然酶相比，纳米酶具有可观的催化效率、优异的稳定性和优越的膜通透性，因此可用于抗氧化和抗炎治疗。一些纳米酶在体内外具有ROS清除能力，可以在炎症环境下保护细胞，减少细胞死亡。此外，一些纳米酶被发现通过影响小胶质细胞极化和防止铁死亡来保护神经细胞，两者都与减少氧化应激有关。
另外，基于细胞的药物递送系统（Cell-based drug delivery systems, CDDS）已经成为递送纳米药物治疗中枢神经系统疾病的有效仿生方法。中性粒细胞以其趋化性迁移至炎症部位和天然的跨血脑屏障将药物转运至中枢损伤区域而闻名，这表明基于中性粒细胞的CDDS可能是SAH后跨血脑屏障并积极靶向与EBI相关的炎症区域的可行策略。
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研究内容
近日，福建医科大学附属第一医院康德智教授和朱阳副研究员团队在Chemical Engineering Journal在线发表题为“Neutrophil membrane-based biomimetic metal-polyphenol self-assembled nanozyme for the targeting treatment of early brain injury following subarachnoid hemorrhage.”的研究论文。该研究利用金属-多酚自组装的方法，通过铁离子（Fe3+）和二氢杨梅素（DMY）的配位，开发了一种仿生纳米酶（Fe-DMY），并将Fe-DMY包裹在中性粒细胞膜（NM）中形成了靶向神经炎症区域的纳米酶NM@Fe-DMY。NM@Fe-DMY表现出较强的过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）样催化活性，表明其在SAH中具有降低氧化应激的潜力。这导致脂质过氧化减少，谷胱甘肽过氧化物酶4表达增加，并防止铁死亡。此外，NM@Fe-DMY在体内表现出有效的BBB穿透，在SAH损伤区域累积，并表现出显著的治疗效果，包括神经功能恢复和改善空间记忆。重要的是，NM@Fe-DMY还诱导小胶质细胞从M1样亚型极化为M2样亚型，从而中断EBI中神经炎症的有害循环。
图1. 在SAH模型中，NM@Fe-DMY减轻氧化应激，抑制铁死亡，调节小胶质细胞极化，减轻神经炎症，并改善预后的机制示意图。
NM@Fe-DMY采用自组装的方法合成。通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电子显微镜（TEM）、十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）等表征手段证实了NM@Fe-DMY的成功合成。通过溶解氧分析仪、WST-8试剂盒以及电子自旋共振（ESR）检测，初步验证NM@Fe-DMY可以有效模拟CAT以及SOD样催化性能。这些发现验证了NM@Fe-DMY在消耗ROS和减轻氧化应激方面的功效。
图2. NM@Fe-DMY的形貌和性能表征。
选取Hemin作为BV-2细胞的干预物，建立SAH小胶质细胞模型。采用细胞摄取观察、明场形态变化观察、CCK-8、钙黄绿素/碘化丙锭共染色等多种方法评估细胞保护作用。基于NM@Fe-DMY在体外发现的细胞保护特性，更深入探究这一现象潜在机制。使用荧光指示剂（DCFH-DA）染色评估ROS水平；使用JC-1染色、生物透射电镜（Bio-TEM）评估线粒体功能障碍；使用荧光探针C11-BODIPY581/589评估膜脂质过氧化程度；使用免疫蛋白印记（Western blot）检测铁死亡相关蛋白表达水平；使用流式细胞术检测小胶质细胞极化状态改变情况。研究发现NM@Fe-DMY能够有效减少SAH模型BV-2细胞氧化应激、改善线粒体功能障碍、抑制脂质过氧化和铁死亡、改变小胶质细胞极化状态。
图3. NM@Fe-DMY在体外试验中被细胞摄取，并改善细胞存活。
图4. 探索NM@Fe-DMY改善细胞存活状态的机制。
图5. 探索NM@Fe-DMY改善细胞存活状态的机制。
接着，通过颈内动脉穿刺法+尾静脉注射建立SAH大鼠治疗模型。脑大体解剖后，进行Sugawara 评分评估出血程度显示各治疗组出血情况稳定。通过血常规、生化、溶血试验以及各器官的H&E染色的组织学检查，证明了NM@Fe-DMY的生物安全性。使用Cy5标记纳米颗粒，经尾静脉注射到SAH模型大鼠体内，评估NM@Fe-DMY的生物分布：结果表明NM@Fe-DMY对EBI相关炎症区域的靶向性增强。Kaplan-Meier生存曲线、Garcia神经功能评分以及改良Morris水迷宫实验显示NM@Fe-DMY治疗有效降低死亡率，改善神经预后，改善学习记忆能力。最后，使用免疫荧光染色探究NM@Fe-DMY对SAH脑损伤区域的治疗机制。研究发现NM@Fe-DMY纠正了SAH大鼠模型中小胶质细胞M1/M2极化比例的失衡，小胶质细胞形态从M1样极化的圆形态转变为M2样极化的多突触结构特征。此外，经NM@Fe-DMY干预后，铁死亡相关蛋白的表达也受到了相应的改变，表明NM@Fe-DMY抑制了铁死亡过程。
图6. NM@Fe-DMY的生物安全性以及体内分布情况。
图7. NM@Fe-DMY改善SAH模型大鼠预后。
图8. 探索NM@Fe-DMY改善SAH大鼠模型预后的机制。
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研究结论
综上所述，本文成功开发了一种金属-多酚自组装纳米酶，用于治疗SAH后的EBI病理生理过程。NM@Fe-DMY主要由DMY和Fe3+通过自组装策略组成。基于此，NM的应用使其具有显著的穿透血脑屏障和靶向SAH中的神经炎症区域的能力。NM@Fe-DMY具有类CAT和SOD活性。体外研究表明NM@Fe-DMY可清除SAH中过量的ROS并降低氧化应激。这导致LPO减少和GPX4表达增加，防止小胶质细胞铁死亡，诱导其从M1样表型向M2样表型极化，最终减轻神经炎症。体内实验表明NM@Fe-DMY有效地穿透BBB并聚集在SAH损伤部位，显著提高了大鼠生存率，恢复了神经功能，并增强了空间记忆。此外，这些有利的作用与铁死亡途径的抑制和小胶质细胞极化的调节相关，且副作用很小。本研究提出了一种包含纳米包裹仿生纳米酶的新策略，阐明了它们在减轻SAH引起的EBI相关负面结局方面的潜力，从而为基于纳米药物的SAH治疗提供了一个新的视角。
