NML研究文章 | 硅基药物递送系统在脊髓损伤治疗中的应用

Synthesis and Characterization of a Silica-Based Drug Delivery System for Spinal Cord Injury Therapy

Guodong Sun, Shenghui Zeng, Xu Liu,Haishan Shi, Renwen Zhang, Baocheng Wang, Changren Zhou, Tao Yu*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 23

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0252-6

    本文亮点    

1  本研究针对脊髓损伤部位的血管可以允许200 nm以下的粒子透过的特点,制备了粒径在200 nm以下的介孔硅材料,并将特定靶向蛋白接枝其表面,有效实现了该硅基药物释放系统经静脉注射靶向治疗脊髓损伤的功能性。

2  该硅基药物释放系统通过缓释所负载的牛蒡子苷元药物成分,能够降低白细胞介素-17相关炎症因子的表达并保护神经元,促进小鼠脊髓损伤后功能的恢复。

         内容简介         

脊髓损伤(spinal cord injury,SCI)是指由于各种原因导致的脊髓完全或不完全伤害,往往导致损伤节段以下肢体严重的感觉和运动功能障碍。脊髓损伤具有高发生率和致残率,花费大等特点,现已成为全球性的医疗难题。因此,研究有效的脊髓损伤的治疗措施具有重要的临床意义。

脊髓损伤后炎症反应在其修复过程中至关重要,现已成为潜在的治疗靶点。然而应用最为广泛的抑制脊髓损伤后炎症反应的药物甲强龙,由于其并发症多,现已不推荐使用。因此,探讨脊髓损伤后安全、有效的抑炎药物就显得迫在眉睫。

研究表明,很多药物可以减轻脊髓损伤后的继发性炎症反应,但药物不能够透过血脑屏障,大大限制了其应用价值。

纳米载药体系因为其生物相容性好,可修饰的位点多等特点,在临床前研究中越来越多。

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暨南大学于涛课题组采用目前研究相对成熟的且已被证实具备良好生物相容性的介孔纳米硅球作为载体,通过连接CAQK肽段实现其脊髓损伤的靶向性(图1),在脊髓损伤的治疗中取得了良好的效果。

图1. 介孔硅球的药物释放及靶向性能。(a-b)体外及体内的释放曲线。(c-d)活体成像检测硅基药物释放系统(MSN-FC@ARC-G)的靶向性。

在本研究中,我们所构建的硅基药物释放系统具有良好的生物相容性,可在体内持续释放,延长了药物治疗的“时间窗”。

更重要的是,由于其100 nm的颗粒大小,它可以靶向脊髓损伤并穿透血脊髓屏障。此外,该纳米药物平台可以修复局部微环境损伤,特别是通过降低IL-17和IL-17相关炎症因子的表达,从而保护神经元,促进SCI的恢复。

      图文导读     

牛蒡子苷元治疗脊髓损伤的分子机制

为了探讨牛蒡子苷元(ARC-G)治疗脊髓损伤的分子机制,我们进行了一系列生物学实验。

首先,采用流式细胞术和q-PCR检测脾脏CD4+T细胞SCI后IL-17的表达。结果显示,在ARC-G和MSN-FC@ARC-G处理组中,IL-17及其相关因子显著降低 。这些结果表明ARC-G和MSN-FC@ARC-G均可以降低脾脏IL-17和相关因子的表达

图2 (A-B)脾脏CD4+T细胞IL-17表达的流式细胞术分析(每组8只小鼠)。(C-D)IL-17相关的mRNA表达的qRT-PCR分析(每组8只小鼠)。

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局部脊髓的多因子高通量检测

为了验证IL-17的下调是否伴随着炎症因子的衰减,对局部脊髓进行多因子高通量检测。结果表明,IL-17和IL-17 相关的炎症因子的表达下调。

MSN-FC@ARC-G因为其靶向功能可以减少IL-17相关炎性因子的表达,而ARC-G却不具备这样的功能。综上所述,MSN-FC@ARC-G能有效改善脊髓损伤微环境的局部炎症反应。

图3 应用Bio-Plex多因子检测系统对脊髓损伤局部进行检测。(a)不同颜色代表不同蛋白浓度,蓝色到红色(从低到高)。(b)MSN-FC@ARC-G处理组中IL-17,IL-1α, IL-6, G-CSF, MCP-1和MIP-1β 均显著性降低。

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脊髓损伤与神经免疫反应

星形胶质细胞作为中枢神经系统的重要组成部分,在支持神经元的过程中发挥着重要作用。在应激条件下,如脊髓损伤、创伤性脑损伤、中风、感染或退行性疾病,星形胶质细胞可迅速激活,并伴有其形态和功能的改变。

体外实验表明,IL-17A可能刺激人类或鼠类星形胶质细胞分泌大量炎症因子和趋化因子 (IL-6, TNF-α, CCL2, CCL3, CCL20, CXCL1, and CXCL2)。实验结果表明,阻断IL-17的表达抑制了星形胶质细胞的活化,Westernblot结果显示与Act1/IRF-1信号通路相关的蛋白表达降低了。

考虑到IL-17在中枢神经系统相关疾病中的作用,结合我们之前的研究结果,MSN-FC@ARC-G在SCI病理生理过程中的作用似乎是通过调节星形胶质细胞功能实现的 (图4)。

图4 脊髓损伤与神经免疫反应密切相关。

作者简介

于涛

(本文通讯作者)

暨南大学

副教授,硕士生导师

主要研究方向:

① 与人体硬组织功能重塑与修复相关的复合功能材料、仿生材料;

② 有机-无机功能化骨修复材料;

③ 生物可降解骨修复材料的生物调控及其材料与组织之间响应机制;

④ 骨性关节炎的发病机制及其相关材料制备等。

E-mail: ytbiom@jnu.edu.cn

孙国栋

(本文第一作者)

暨南大学附属第一医院骨科

副主任医师、硕导

目前主要从事脊髓损伤的临床与基础研究,针对脊髓损伤后的神经免疫进行了一系列探索。

E-mail: sgd96@jnu.edu.cn

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