激光散斑血流成像系統(tǒng)在開發(fā)跨BBB納米藥物轉(zhuǎn)運平臺中的應(yīng)用

缺血性卒中也稱為腦梗死，是全球成年人第二大死亡原因和第一大致殘原因。

目前缺血性腦卒中的治療方法僅限于快速溶栓或血管內(nèi)血栓清除以恢復(fù)腦血流灌注，但是腦梗死后的血流恢復(fù)可能會引起氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，造成再灌注損傷，加劇大腦損害。

為了減輕再灌注損傷，一些神經(jīng)保護性藥物已經(jīng)廣泛用于缺血性卒中的治療，包括抗氧化劑和鐵死亡抑制劑等。然而，由于血腦屏障(blood-brain barrier, BBB)的存在，這些藥物難以進(jìn)入到大腦因而治療效果并不顯著。

2023年6月26日，西南交通大學(xué)的周紹兵教授/郭星教授團隊在《Advanced Materials》期刊上發(fā)表題為“Bacteria-derived Outer-membrane Vesicles Hitchhike Neutrophils to Enhance Ischemic Stroke Therapy”的文章。

在該研究中，作者設(shè)計了一種OMV@PGZ納米系統(tǒng)，即在細(xì)菌來源的外膜囊泡(outer-membrane vesicle, OMV)中封裝吡格列酮(pioglitazone, PGZ，一種神經(jīng)保護劑)的納米顆粒；該系統(tǒng)能夠借助血液中的中性粒細(xì)胞來穿透血腦屏障并向缺血區(qū)域聚集，并通過釋放PGZ來抑制鐵死亡并減輕炎癥反應(yīng)，從而起到神經(jīng)保護作用。
 

BBB是維持腦微環(huán)境穩(wěn)態(tài)、保證中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常功能所必需的。然而，約98%的小分子藥物和幾乎100%的大分子藥物不能穿透血腦屏障進(jìn)入腦組織。

因此，開發(fā)一種用于藥物跨BBB轉(zhuǎn)運的治療平臺迫在眉睫。在出現(xiàn)腦缺血后，中性粒細(xì)胞作為第一批從外周被激活的細(xì)胞，通過與內(nèi)皮細(xì)胞的相互作用，通過滾動、黏附、爬行等方式主動移動到內(nèi)皮連接處，并最終穿過血腦屏障，被募集到缺血腦區(qū)。

在此基礎(chǔ)上，研究人員試圖開發(fā)中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的藥物遞送系統(tǒng)：

一種方法是在體外將納米顆粒組裝成中性粒細(xì)胞，形成的中性粒細(xì)胞復(fù)合物在靜脈注射后可以有效地通過BBB。然而，中性粒細(xì)胞壽命短(約7 h)，納米顆粒過早在細(xì)胞內(nèi)降解以及污染風(fēng)險等缺陷極大地限制了其應(yīng)用。

第二種方法是開發(fā)可以在血液循環(huán)中被中性粒細(xì)胞識別吞噬的納米粒子，隨后伴隨中性粒細(xì)胞穿過BBB（以搭便車的方式），可以避免第一種方法的缺陷，但是如何在體內(nèi)高效靶向中性粒細(xì)胞仍然是個需要解決的問題。

OMV是革蘭氏陰性菌程序性產(chǎn)生的分泌膜泡，脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)是OMV最豐富的組成部分之一。LPS可被中性粒細(xì)胞toll樣受體(Toll-like receptors, TLR)特異性識別，從而促進(jìn)中性粒細(xì)胞對OMV的內(nèi)吞。因此，OMV具有作為中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的腦靶向納米平臺的潛在應(yīng)用價值。

為此，作者通過向OMV中加載神經(jīng)保護劑PGZ設(shè)計了OMV@PGZ納米系統(tǒng)，并且在大腦中動脈短暫性閉塞的小鼠(transient middle cerebral artery occlusion, tMCAO)體內(nèi)，證實該納米系統(tǒng)可借助中性粒細(xì)胞穿過BBB進(jìn)入到梗死腦區(qū)，隨后隨著中性粒細(xì)胞的崩解而釋放出PGZ。
 

OMV@PGZ可通過“搭便車”的方式借助中性粒細(xì)胞的來穿過BBB到達(dá)缺血腦區(qū)

為了評估OMV@PGZ對卒中大腦神經(jīng)的保護效果，作者用到了tMCAO小鼠模型，與生理鹽水、OMV或者PGZ組相比，OMV@PGZ處理能夠明顯改善小鼠腦卒中后的活動能力、促進(jìn)長期神經(jīng)功能恢復(fù)并延長存活時間（為了確保模型處理一致性，作者用到了瑞沃德公司生產(chǎn)的激光散斑血流成像系統(tǒng)，用于評估動物在腦缺血以及再灌注過程中的腦血流量）。

進(jìn)入大腦的PGZ能夠通過抑制NLRP3炎癥小體的表達(dá)（一種引發(fā)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵分子），來下調(diào)IL-1β的水平。此外，PGZ可通過抑制ASCL4的表達(dá)上調(diào)GPX4，從而防止脂質(zhì)過氧化，防止線粒體損傷，最終抑制鐵死亡。

上述結(jié)果表明OMV@PGZ能夠同時抑制炎癥反應(yīng)和鐵死亡，減輕再灌注損傷，發(fā)揮神經(jīng)保護作用。

為了揭示OMV@PGZ抑制NLRP3和鐵死亡的潛在機制，作者采用單細(xì)胞核RNA測序(snRNA seq)來篩選相關(guān)通路。

結(jié)果顯示，OMV@PGZ治療后少突膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量明顯恢復(fù)，表明少突膠質(zhì)細(xì)胞可能對于治療的反應(yīng)良好。少突膠質(zhì)細(xì)胞可以促進(jìn)髓鞘的形成，而髓鞘對于中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的正常功能是必不可少的。

作者進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，OMV@PGZ治療后少突膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Pou2f1和Nrf1的表達(dá)非常高，結(jié)合其各自的功能，作者確定少突膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Pou2f1和Nrf1分別抑制了NLRP3炎癥小體和鐵死亡。
 

少突膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Nrf1和Pou2f1分別抑制了NLRP3炎癥小體和鐵死亡

綜上所述，該研究開發(fā)了一種可用于缺血性卒中的治療的OMV@PGZ納米系統(tǒng)。

OMV@PGZ能被外周激活的中性粒細(xì)胞識別并吞噬，隨后借助中性粒細(xì)胞穿透血腦屏障并在缺血腦區(qū)聚集。隨著中性粒細(xì)胞的崩解，PGZ被釋放出來，這些進(jìn)入到大腦中的PGZ能夠抑制鐵死亡并減輕炎癥反應(yīng)，從而起到神經(jīng)保護作用。

鑒于其生物安全性和神經(jīng)保護作用，OMV@PGZ在未來治療缺血性卒中的臨床轉(zhuǎn)化中具有良好的前景。該策略適用于缺血性卒中再灌注損傷納米藥物的開發(fā)，并為其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療提供了思路。
 

OMV@PGZ納米系統(tǒng)介導(dǎo)的缺血性腦卒中再灌注神經(jīng)保護模式圖
 

研究方法亮點

這項工作中，作者設(shè)計了一種能夠借助中性粒細(xì)胞實現(xiàn)跨BBB藥物轉(zhuǎn)運的OMV@PGZ納米系統(tǒng)，可以用于缺血性腦卒中的治療。研究用到了動物手術(shù)造模、動物行為學(xué)評估、免疫組化以及單細(xì)胞核測序等實驗技術(shù)。

瑞沃德深耕生命科學(xué)研究領(lǐng)域21年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務(wù)。在該研究中，研究人員采用了瑞沃德生產(chǎn)的激光散斑血流成像系統(tǒng)和小動物麻醉系統(tǒng)，以及瑞沃德提供的小動物行為學(xué)設(shè)備，為實驗的順利開展提供了支持。此外，瑞沃德還可提供的該研究所涉及的微循環(huán)監(jiān)測和活體成像的完整解決方案。

截至目前，瑞沃德產(chǎn)品及服務(wù)覆蓋海內(nèi)外100多個國家和地區(qū)，客戶涵蓋全球700+醫(yī)院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人員發(fā)表SCI文章14500+，獲得行業(yè)廣泛認(rèn)可。