西南交大周绍兵/郭星团队开发出跨BBB纳米药物转运平台

西南交大周绍兵/郭星团队开发出跨BBB纳米药物转运平台

作者:瑞沃德
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缺血性卒中也称为脑梗死,是全球成年人第二大死亡原因和第一大致残原因。

目前缺血性脑卒中的治疗方法仅限于快速溶栓或血管内血栓清除以恢复脑血流灌注,但是脑梗死后的血流恢复可能会引起氧化应激和炎症反应,造成再灌注损伤,加剧大脑损害。

为了减轻再灌注损伤,一些神经保护性药物已经广泛用于缺血性卒中的治疗,包括抗氧化剂和铁死亡抑制剂等。然而,由于血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)的存在,这些药物难以进入到大脑因而治疗效果并不显著。

2023年6月26日,西南交通大学的周绍兵教授/郭星教授团队在《Advanced Materials》期刊上发表题为“Bacteria-derived Outer-membrane Vesicles Hitchhike Neutrophils to Enhance Ischemic Stroke Therapy”的文章。

在该研究中,作者设计了一种OMV@PGZ纳米系统,即在细菌来源的外膜囊泡(outer-membrane vesicle, OMV)中封装吡格列酮(pioglitazone, PGZ,一种神经保护剂)的纳米颗粒;该系统能够借助血液中的中性粒细胞来穿透血脑屏障并向缺血区域聚集,并通过释放PGZ来抑制铁死亡并减轻炎症反应,从而起到神经保护作用。


Adv. Mater.:西南交大周绍兵/郭星团队开发出跨BBB纳米药物转运平台


BBB是维持脑微环境稳态、保证中枢神经系统正常功能所必需的。然而,约98%的小分子药物和几乎100%的大分子药物不能穿透血脑屏障进入脑组织。

因此,开发一种用于药物跨BBB转运的治疗平台迫在眉睫。在出现脑缺血后,中性粒细胞作为第一批从外周被激活的细胞,通过与内皮细胞的相互作用,通过滚动、黏附、爬行等方式主动移动到内皮连接处,并最终穿过血脑屏障,被募集到缺血脑区。

在此基础上,研究人员试图开发中性粒细胞介导的药物递送系统:

一种方法是在体外将纳米颗粒组装成中性粒细胞,形成的中性粒细胞复合物在静脉注射后可以有效地通过BBB。然而,中性粒细胞寿命短(约7 h),纳米颗粒过早在细胞内降解以及污染风险等缺陷极大地限制了其应用。

第二种方法是开发可以在血液循环中被中性粒细胞识别吞噬的纳米粒子,随后伴随中性粒细胞穿过BBB(以搭便车的方式),可以避免第一种方法的缺陷,但是如何在体内高效靶向中性粒细胞仍然是个需要解决的问题。

OMV是革兰氏阴性菌程序性产生的分泌膜泡,脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)是OMV最丰富的组成部分之一。LPS可被中性粒细胞toll样受体(Toll-like receptors, TLR)特异性识别,从而促进中性粒细胞对OMV的内吞。因此,OMV具有作为中性粒细胞介导的脑靶向纳米平台的潜在应用价值。

为此,作者通过向OMV中加载神经保护剂PGZ设计了OMV@PGZ纳米系统,并且在大脑中动脉短暂性闭塞的小鼠(transient middle cerebral artery occlusion, tMCAO)体内,证实该纳米系统可借助中性粒细胞穿过BBB进入到梗死脑区,随后随着中性粒细胞的崩解而释放出PGZ。


OMV@PGZ可通过“搭便车”的方式借助中性粒细胞的来穿过BBB到达缺血脑区

图1. OMV@PGZ可通过“搭便车”的方式借助中性粒细胞的来穿过BBB到达缺血脑区

为了评估OMV@PGZ对卒中大脑神经的保护效果,作者用到了tMCAO小鼠模型,与生理盐水、OMV或者PGZ组相比,OMV@PGZ处理能够明显改善小鼠脑卒中后的活动能力、促进长期神经功能恢复并延长存活时间(为了确保模型处理一致性,作者用到了瑞沃德公司生产的激光散斑血流成像系统,用于评估动物在脑缺血以及再灌注过程中的脑血流量)。

进入大脑的PGZ能够通过抑制NLRP3炎症小体的表达(一种引发炎症反应的关键分子),来下调IL-1β的水平。此外,PGZ可通过抑制ASCL4的表达上调GPX4,从而防止脂质过氧化,防止线粒体损伤,最终抑制铁死亡。

上述结果表明OMV@PGZ能够同时抑制炎症反应和铁死亡,减轻再灌注损伤,发挥神经保护作用。


OMV@PGZ可改善卒中小鼠的运动能力、促进长期神经功能恢复并延长卒中后的生存时间

图2. OMV@PGZ可改善卒中小鼠的运动能力、促进长期神经功能恢复并延长卒中后的生存时间

为了揭示OMV@PGZ抑制NLRP3和铁死亡的潜在机制,作者采用单细胞核RNA测序(snRNA seq)来筛选相关通路。

结果显示,OMV@PGZ治疗后少突胶质细胞的数量明显恢复,表明少突胶质细胞可能对于治疗的反应良好。少突胶质细胞可以促进髓鞘的形成,而髓鞘对于中枢和周围神经系统神经元的正常功能是必不可少的。

作者进一步分析发现,OMV@PGZ治疗后少突胶质细胞转录因子Pou2f1和Nrf1的表达非常高,结合其各自的功能,作者确定少突胶质细胞转录因子Pou2f1和Nrf1分别抑制了NLRP3炎症小体和铁死亡。


少突胶质细胞转录因子Nrf1和Pou2f1分别抑制了NLRP3炎症小体和铁死亡

图3.少突胶质细胞转录因子Nrf1和Pou2f1分别抑制了NLRP3炎症小体和铁死亡

综上所述,该研究开发了一种可用于缺血性卒中的治疗的OMV@PGZ纳米系统。
OMV@PGZ能被外周激活的中性粒细胞识别并吞噬,随后借助中性粒细胞穿透血脑屏障并在缺血脑区聚集。随着中性粒细胞的崩解,PGZ被释放出来,这些进入到大脑中的PGZ能够抑制铁死亡并减轻炎症反应,从而起到神经保护作用。

鉴于其生物安全性和神经保护作用,OMV@PGZ在未来治疗缺血性卒中的临床转化中具有良好的前景。该策略适用于缺血性卒中再灌注损伤纳米药物的开发,并为其他神经系统疾病的治疗提供了思路。


OMV@PGZ纳米系统介导的缺血性脑卒中再灌注神经保护模式图

图4. OMV@PGZ纳米系统介导的缺血性脑卒中再灌注神经保护模式图

研究方法亮点

这项工作中,作者设计了一种能够借助中性粒细胞实现跨BBB药物转运的OMV@PGZ纳米系统,可以用于缺血性脑卒中的治疗。研究用到了动物手术造模、动物行为学评估、免疫组化以及单细胞核测序等实验技术。

瑞沃德深耕生命科学研究领域21年,一直致力于为客户提供可信赖的解决方案和服务。在该研究中,研究人员采用了瑞沃德生产的激光散斑血流成像系统和小动物麻醉系统,以及瑞沃德提供的小动物行为学设备,为实验的顺利开展提供了支持。此外,瑞沃德还可提供的该研究所涉及的微循环监测和活体成像的完整解决方案。

截至目前,瑞沃德产品及服务覆盖海内外100多个国家和地区,客户涵盖全球700+医院,1000+科研院所,6000+高等院校,已助力全球科研人员发表SCI文章14500+,获得行业广泛认可。
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