ACS Nano︱澳门大学王瑞兵/赵永华团队揭示微藻衍生的模拟中性粒细胞上转换光合纳米系统靶向治疗血栓性中风

学术 2024-11-06 00:01 上海

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末

撰文︱王瑞兵/赵永华团队

责编︱王思珍

脑血栓是血栓性中风的主要成因，由于脑血管内血栓形成使血流骤降引发不可逆的神经损伤，导致病患出现高致残率和死亡率，给社会和患者家庭造成沉重的经济负担。针对血栓性中风急性期（发病不超过4.5 h），采用tPA静脉溶栓是国内外各大指南推荐的治疗方法。然而，tPA抵抗和中性粒细胞浸润导致血脑屏障完整性受损、脑出血转化风险升高，限制了患者的受益。此外，由血栓形成引起的脑血流中断不仅导致神经元ATP消耗，还会促进氧化应激，不可逆转地加剧内皮功能障碍和神经元损伤。因此，包括溶栓、抗炎、ATP补充和抗氧化应激在内的综合策略治疗血栓性中风更为全面。

中性粒细胞作为机体含量最丰富的白细胞，能够快速响应炎性环境。基于此特点，中性粒细胞被广泛用于制备药物递送体系以提高炎症性疾病的治疗效果，包括中性粒细胞膜衍生体系和中性粒细胞搭便车体系等。其中，中性粒细胞膜衍生体系保留炎症部位趋向性，同时不具备潜在的炎性激活特性。天然微藻是一种光合微生物，目前被广泛探索作为新型药物递送载体，具有抗炎症、抗氧化、抗肿瘤等功能。其中，四鞭毛微藻P. subcordiformis作为光遗传工具蛋白PsChR2的供体，在530 nm光照下表现出强大的响应特性，其类囊体可能通过ATP和NADPH的产生对血栓性中风治疗具有潜在的生物医学应用前景。

近期，澳门大学王瑞兵教授/赵永华教授团队联合报道了具有溶栓、抗炎、抗氧化和神经保护特性的中性粒细胞仿生、微藻类囊体衍生的上转化光合纳米体系（图1）。首先，从微藻中分离纯化出类囊体，然后将上转换纳米颗粒包裹在类囊体纳米颗粒中，制备微藻类囊体衍生的上转化光合纳米颗粒。随后，采用中性粒细胞膜进行涂层，赋予光合纳米颗粒血栓部位靶向性能。最后，溶栓剂tPA与ROS响应的聚乙二醇交联后，采用插膜的方式修饰在中性粒细胞膜表面，制备模拟中性粒细胞的上转化光合纳米平台NTUPs-tPA。在光化学诱导的血栓性中风小鼠模型中，NTUPs-tPA在中性粒细胞膜的引导下，有效靶向血栓部位，并在局部高浓度ROS的作用下释放tPA，显示出溶栓和抗炎作用。随后，利用上转换纳米颗粒在小鼠脑内将NIR-II激光（980 nm）转换为可见光（550 nm和650 nm），从而触发脑组织中类囊体的光合作用，刺激推动ATP和NADPH的产生，有助于发挥神经保护和抗氧化作用。相关工作以“Neutrophil-Mimetic Upconversion Photosynthetic Nanosystem Derived from Microalgae for Targeted Treatment of Thromboembolic Stroke”为题发表在ACS Nano。

图1.光驱动ATP/NADPH生物发生器NTUPs-tPA的构建及其靶向治疗血栓性中风的机制示意图。

该研究首先通过分离纯化得到微藻类囊体，并监测制备过程中光合作用蛋白的保留情况。为了解决脑组织深部光穿透的问题，团队将上转化纳米颗粒包裹在类囊体内。随后，中性粒细胞提取后经预激活，分离细胞膜并涂层至类囊体/上转化纳米粒颗粒表面，通过中性粒细胞膜赋予其血栓部位靶向性能。随后，溶栓药物tPA与ROS响应的PEG (DSPE-Se-Se-PEG-NHS)交联后，通过脂质插膜修饰在中性粒细胞膜表面，制备微藻衍生的模拟中性粒细胞上转换光合纳米系统。相关的表征如图2所示。

图2. 载药体系的制备与表征

体系成功制备后，分别在体外检测其与糖氧剥夺血管内皮细胞模型（OGD-insulted bEnd.3 cells）和活化血小板结合特性，结果表明体外的靶向结合特性。随后，980 nm激光照射转换出的550 nm和650 nm波长的光刺激类囊体ATP和NADPH的释放，发挥抗血小板活化、神经细胞保护、抗氧化应激和抗炎症特性（如图3所示）。

图3. 体系在体外血栓性中风模型中的靶向和治疗作用

随后，在光化学诱导血栓性中风小鼠模型中炎症体系的靶向特性研究中，结果表明（如图4所示），该体系能够快速靶向至血栓部位，并且主要分布在血管内皮细胞部位。

图4. 体系在小鼠血栓性中风模型中的靶向作用

最后，在光化学诱导血栓性中风小鼠模型中验证体系的治疗效果。结果表明，980nm激光照射组具有最佳的治疗效果（如图5所示）。

图5. 对急性血栓性中风小鼠模型的治疗效果

文章结论与讨论，启发与展望

本研究设计并制备了基于一种源自微藻、模拟中性粒细胞的上转化光合纳米系统，用于靶向治疗血栓性中风。构建的系统由中性粒细胞膜涂层的微藻类囊体纳米颗粒组成，内部包裹了上转化纳米颗粒，表面插入ROS响应释放的tPA。在光化学诱导血栓性中风小鼠模型中，该体系显示出对血栓的高趋向性，实现多重治疗作用，包括溶栓、抗炎症、激光触发ATP和NADPH产生神经保护、抗血小板和抗氧化应激。总之，本研究介绍了一种靶向血栓的中性粒细胞衍生、基于微藻类囊体的上转换光合ATP/NADPH纳米生物发生器，用于血栓性中风的治疗。此外，此研究也为天然海洋微藻作为功能生物材料的潜在应用提供了有价值的数据参考。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c06247

该研究得到了澳门大学、国家自然科学基金、澳门特别行政区科技发展基金、深圳市科技创新委员会、中药质量研究国家重点实验室内部研究基金等项目的支持。

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【神经科学前沿技术培训系列】

【光遗传学与遗传编码钙探针和神经递质探针工作原理及应用】和【在体成像技术在神经科学研究的基础与应用】（第九期）。时间待定（周六至周一）；地点南京。

【脑片膜片钳记录系统的操作和应用】（第六期）。时间 2024年12月6-8日；地点南通。

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本文完

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