Acta Pharmaceutica Sinica B: 经鼻-脑通路线粒体靶向和ROS反应的纳米载体治疗缺血性卒中

导读

氧化应激损伤和线粒体功能障碍是缺血性卒中后神经功能恢复的主要障碍。迫切需要开发新的方法来同时减少氧化应激和抵抗线粒体功能障碍。受缺血神经元线粒体上过量产生的活性氧物种(ROS)的启发，设计了具有ROS响应性和线粒体靶向(SPNPs)的多功能纳米颗粒，实现了缺血半暗带区的特异性靶向递送和可控的药物释放。通过鼻-脑途径，SPNPs通过鼻腔给药被包裹在热敏凝胶中，绕过血脑屏障(BBB)直接输送到缺血半暗带，提高了输送效率。在体外和大鼠大脑中动脉闭塞(MCAO)模型上，系统评价了SPNPs治疗缺血性卒中的潜力。结果表明，SPNPs对H_2O_2诱导的SH-SY5Y细胞氧化损伤具有线粒体靶向性和保护作用。通过荧光成像分析SPNPs在体内的分布，证明SPNPs对脑缺血大鼠脑缺血区具有快速、增强的主动靶向作用。SPNPs鼻腔给药可减轻氧化应激、减轻炎症反应、修复线粒体功能、减少细胞凋亡，具有较好的治疗效果。该策略为缺血性损伤的有效治疗提供了一个多功能的递送系统，也为其他中枢神经系统疾病提供了潜在的应用前景。

论文ID

题目：Mitochondrial-targeted and ROS-responsive nanocarrier via nose-to-brain pathway for ischemic stroke treatment

译名：经鼻-脑通路线粒体靶向和ROS反应的纳米载体治疗缺血性卒中

期刊：Acta Pharmaceutica Sinica B

IF：14.5

发表时间：2023.12

通讯作者单位: 中国医学科学院与北京协和医学院

DOI号：https://doi.org/10.1016/j.apsb.2023.06.011

主要内容

中风是第二大死因，由于其高致残率和缺乏临床有效的治疗方法，严重影响了世界各地幸存者的日常生活。缺血性卒中约占所有卒中病例的80%。在缺血性损伤中，损伤区域周围的神经元参与了一系列的生化事件，如能量衰竭、氧化应激、离子失衡、细胞死亡(细胞凋亡或坏死)，以及启动炎症和免疫反应，导致不可逆转的脑损伤。临床上，4.5h内静脉溶栓或机械取栓，实现脑再通是治疗的金标准。这一狭窄的治疗窗口增加了治疗难度，只有不到10%的患者能够得到及时治疗。此外，恢复脑缺血血流量的再灌注治疗会导致二次再灌注损伤，其原因是产生了活性氧自由基(ROS)，并伴有线粒体功能障碍和局部炎症。许多临床前研究的重点是保护神经元免受缺血和再灌流的损伤。治疗窗口狭窄、缺血病理级联复杂、药物对缺血半暗带的靶向效率低是导致卒中治疗缺乏有效药物治疗的原因。迫切需要开发多靶点的药物治疗方法，能够快速绕过血脑屏障，治疗复杂的缺血药理，以达到改善脑穿透和治疗缺血性损伤的效果。

虽然研究表明，缺血性卒中的发生可以破坏通透性，但血脑屏障仍然是治疗药物进入大脑的主要屏障。迫切需要开发将治疗剂直接输送到跨越血脑屏障的大脑的创新策略。侵入性脑内给药可以迅速将药物输送到大脑，但由于其复杂的操作而受到挑战。近年来，非侵入性鼻腔给药使药物通过鼻到脑通路直接到达缺血半暗带，在脑部疾病的治疗中引起了人们的关注。鼻腔给药可以绕过血脑屏障，在几分钟内沿着嗅神经和三叉神经直接将药物输送到半影区。FDA已经批准了一些鼻腔药物，如Spravato和V ALTOCO，分别用于治疗抑郁症和癫痫。鉴于这些优点，鼻腔给药应该是一种很有前途的策略，通过直接鼻对脑给药来实现快速的脑积聚。

通过负载PU和SS31装饰的ROS反应纳米粒靶向治疗缺血性中风的示意图

近年来，具有多功能性质的纳米载体给药系统的进展使脑部疾病的创新和靶向治疗成为可能。氧化应激和线粒体功能障碍是缺血性卒中后神经功能恢复的两大障碍。因此，开发一种同时干预氧化应激和线粒体功能障碍的药物输送系统可能会改善缺血性中风的治疗。集成的多功能纳米粒子，特别是具有靶向性和微环境响应性的纳米粒子越来越受到人们的重视。针对卒中的氧化缺血环境和治疗靶点，以线粒体为靶点的ROS反应性纳米载体被引入作为一种有效的平台。以前的研究已经报道了一系列与ROS相关的结构，如芳基硼酸酯/酸、硫化物、硫醚、硫酮键、硒等。在这些位点中，对H_2O_2和O_2-敏感的硫代金属连接体是构建ROS响应性纳米颗粒的一个有吸引力的候选分子。设计纳米载体的另一个问题是直接输送到线粒体，线粒体拥有丰富的ROS来触发选择性切割。Bendavia(SS-31)是Szeto-Schiller多肽家族中的一员，是一种线粒体靶向多肽，可以选择性地分配到线粒体内膜而不依赖于膜电位。此外，SS-31通过减少线粒体ROS的产生和抑制线粒体通透性转换而显示出抗氧化能力，这有利于对缺血再灌注损伤的保护。已有研究表明，SS-31多肽修饰的槲皮素可以实现线粒体靶向损伤神经元，从而实现对模型动物的神经元保护。一种多功能的SS31修饰纳米胶束实现了线粒体功能的修复和减轻分级氧化，以减轻心肌缺血再灌注损伤。因此，含硫金属连接物和SS-31修饰的纳米载体可以发挥ROS反应性、线粒体靶向和抗氧化功能，实现对缺血性卒中的神经元保护。

纳米粒子的合成与表征

中草药天然产物因其结构多样、具有生物相关性而备受关注，被FDA批准为小分子药物，因其应用广泛、安全性高、副作用小而被广泛使用。葛根素(Pu)是葛根的主要生物活性成分。Ohwi已被证明具有多种药理作用，包括血管扩张、抗氧化、抗炎、神经保护等。临床上，葛根素注射液可通过抑制炎症介质的表达，改善能量代谢，减轻氧化应激，促进心脏血管生成，治疗中国的心肌缺血。此外，葛根素还可通过抑制线粒体吞噬作用导致的线粒体质量减少、维持线粒体膜电位、阻止细胞色素C释放和降低caspase活性来减轻线粒体功能障碍。然而，PU的溶解度低、消除半衰期短、生物利用度低，限制了其在脑部疾病中的应用。因此，将PU包裹在多功能给药系统中将是发挥其多种药理活性和靶向给药的最佳策略。

在此，我们构建了具有线粒体靶向、ROS应答释放和抗氧化应激等多种功能的纳米载体，以期通过调节氧化微环境和线粒体功能达到治疗缺血再灌注损伤的目的。硫代金属交联的SPNPs骨架在微环境ROS作用下断裂，发挥了清除ROS的活性，实现了负载PU的控制释放。SS-31多肽的修饰达到了线粒体的靶向。然后将SPNPs包裹在温度敏感的水凝胶中进行鼻腔给药。通过直接鼻腔给药，SPNPs在缺血半暗带快速聚集，并在SS-31的支持下靶向线粒体。SPNPs和SS-31中的ROS应答骨架由线粒体上丰富的ROS触发，可以消耗ROS来减轻氧化应激和级联炎症反应。同时，PU的ROS反应性释放通过维持ATP代谢和膜功能来修复线粒体功能，从而抑制细胞色素C介导的细胞凋亡。总之，多功能纳米粒集ROS反应性、线粒体靶向性和抗氧化性于一体，在治疗卒中后的缺血再灌注损伤方面具有巨大的潜力。

体内抗缺血性卒中疗效观察

总结

综上所述，具有ROS反应性和线粒体靶向性的多功能纳米SPNPs被建立用于治疗缺血性卒中。纳米颗粒的骨架对ROS有反应，消耗细胞内的ROS。线粒体靶向SS31多肽和ROS反应释放的PU可以作为抗氧化剂消耗线粒体中的ROS，维持线粒体的功能。所有这些协同作用减轻了氧化应激和级联炎症，恢复了线粒体的功能，并抑制了线粒体介导的神经元凋亡。以温敏凝胶为载体的SPNPs可通过鼻-脑途径实现直接脑内给药，修饰的SS-31多肽实现对缺血半暗带的主动靶向作用。体外实验表明，SPNPs能靶向线粒体，维持膜电位，对过氧化氢诱导的SH-SY5YS细胞具有保护作用。体外荧光成像显示SPNPs对MCAO大鼠缺血部位具有主动靶向作用。体内治疗效果也表明，SPNPs能显著改善外科MCAO损伤后的神经功能评分，缩小脑梗塞体积，减轻脑水肿。此外，进一步研究了神经元摄取SPNPs治疗缺血性卒中的详细机制。SPNPs治疗后氧化应激减轻，炎症因子减少，线粒体功能恢复，神经细胞凋亡减少。因此，SPNPs可能被用作一种潜在的多功能递送系统来加强卒中的治疗。此外，用于其他脑部疾病的多功能纳米颗粒的制备还需要进一步研究。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.apsb.2023.06.011

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