细菌感染人体后，它们会直接侵犯心肌组织，造成心肌组织的损伤，而且在心脏内膜释放毒素，引起心脏内膜损伤，导致心肌缺血、缺氧，造成心肌坏死，并引发急性心肌梗死（acute myocardial infarction, AMI）。而AMI引起的室性心律失常(Ventricular arrhythmias, VAs)是一种临床上常见的急危重症，已造成全球每年约1700人万死亡。AMI诱导的VAs与小胶质细胞激活状态密切相关。因此，根据其潜在的病理过程，目前已报道了数种针对缺血性VAs的干预手段，包括受体阻断剂，手术切除以及光疗。然而，受体阻断剂会带来副作用，手术干预会带来不良事件的风险，光疗的疗效受到渗透深度和潜在光毒性的限制。因此，迫切需要开发一种安全有效的治疗策略，直接调节神经活动来减轻AMI诱导的VAs。
声动力疗法(SDT)采用低强度超声(US)以时空可控的方式激活声敏探针，诱导深层病变部位产生活性氧(ROS)，已被广泛应用于抗肿瘤及抗菌领域，然而其对VAs的潜在影响尚不清楚。然而SDT引发过量的ROS产生可导致急性氧化应激和细胞凋亡，从而加剧小胶质细胞的过度激活。相反，在亚致死限度内精确调节ROS水平可以减少小胶质细胞过度激活，从而降低AMI诱导的VAs的风险。与此同时，ROS在激活自噬中也起着至关重要的作用，可以进一步帮助小胶质细胞对VAs诱导的氧化应激做出反应。因此，调节细胞内ROS水平可以诱导保护性自噬，可以拯救病理状态下的小胶质细胞。然而传统的有机声敏探针在US条件下产生ROS的效率有限且容易在生理条件下发生ROS猝灭，这对如何在细胞内精确调控ROS水平以建立安全的治疗阈值提出了新的挑战。
近日，华中师范大学孙耀教授，在课题组前期发展的超分子光学染料（Nat. Commun., 2022, 13, 2009; PNAS, 2022, 119, e209904119和Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e2023019966）的基础上，针对病原菌感染引发AMI诱导的VAs，创新性提出了π-受体膨胀工程新策略结合金属驱动自组装方法，定制合成了NIR-II区超分子光敏探针（RuB），通过其在US激活下高效的ROS生成能力和可调的阈值水平，进而在活体水平促进小胶质细胞自噬，减轻神经炎症，从而有效降低AMI诱导的VAs。
相较于RuA、配体IR1105和商用声敏探针ICG，通过受体工程筛选出来的RuB在超声作用下，展现出更强的ROS生成和更强的ROS抗灭能力。借助NIR-II区荧光显微镜，可视化监测RuB进入小胶质细胞的方式及其在线粒体的精准定位。DCFH探针结合流式细胞术检测到RuB孵育的小胶质细胞中大量ROS的产生，DCF的荧光强度则随着RuB浓度和US功率的增加而增加，进一步表明可以通过调节RuB剂量和US功率来精准调控胞内ROS的浓度及阈值范围。最终通过条件优化，RuB即使在低剂量(5 μM)和US功率(0.5 W/cm2)下，也能最大限度地诱导小胶质细胞促生存自噬，而不会引起小胶质细胞过度氧化应激。
随后在构建AMI诱导的VAs大鼠模型的下丘脑室旁核（paraventricular nucleus, PVN），显微注射RuB NPs及对照组ICG。活体结果显示，心肌梗死组的小胶质细胞数量明显高于正常组(正常组vs心肌梗死组= 45.5±9.4 vs 138.1±17.5, P<0.0001)。而相较于单独US(109.2)和ICG(68.3)组相比，RuB NPs + US组的小胶质细胞数量显著减少(41.7)。与此同时，在US照射下，RuB NPs注射组ROS表达升高，与小胶质细胞活化降低密切相关。细胞内ROS定量分析结果也显示，RuB NPs组生成的ROS最高。结合细胞实验结果，可以认为RuB NPs在US激活下产生的ROS可以促进PVN小胶质细胞的促存活自噬，从而抑制胶质细胞介导的神经炎症，进而减轻心肌梗死后的VAs。
心肌梗死诱导的小胶质细胞激活和促炎因子可刺激下丘脑-垂体-肾上腺轴，进而导致交感神经系统活动增加。PVN中酪氨酸羟化酶(TH)免疫荧光染色显示中枢交感神经元活化。通过TH+细胞计数计算TH阳性率，与对照组相比，心肌梗死组交感神经系统明显激活。而与US和ICG组相比，RuB NPs + US组对交感神经活动的抑制作用最大。PVN通过下游的LSG神经支配心血管交感神经活动，表明可以通过测量LSG神经活动来评估PVN的声敏感功能。随后，LSG的频率和振幅结果表明，与US和ICG组相比，RuB NPs + US组有效地抑制了交感神经活动。心率变异性(HRV)是系统自主神经张力的重要指标，包括低频(LF)、高频(HF)和LF/HF比值等参数，分别代表交感神经张力和副交感神经张力。结果显示，心肌梗死组与正常组相比，显著提高了LF和LF/HF比值，降低了HF。相比之下，与US组和ICG组相比，RuB NPs + US组在最大程度上逆转了这些变化。综上所述，RuB NPs介导的SDT可有效抑制CNS和LSG的交感神经活动。总之，本研究推动了NIR-II区超分子声敏探针的发展，并为SDT治疗心血管疾病的潜在临床应用提供了新的研究思路。
论文信息
An Ultrasound-Activated Supramolecular Modulator Enhancing Autophagy to Prevent Ventricular Arrhythmias Post-Myocardial Infarction
Yida Pang, Qian Li, Jiale Wang, Prof. Songyun Wang, Prof. Amit Sharma, Yuling Xu, Haoyuan Hu, Prof. Junrong Li, Prof. Shuang Liu, Prof. Yao Sun
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202415802
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