脊髓损伤（Spinal cord injury，SCI），会导致不可逆的中枢神经系统（CNS）组织丧失，进而导致损伤平面以下感觉和运动功能部分或完全丧失。其治疗一直是神经科学与再生领域的重大科学难题。
实际上，绝大多数人类脊髓损伤患者并没有完全脊髓损伤，他们仍然有一些连接完好的神经回路残留。但至少有两个主要的病理过程阻止了这些残留神经回路的功能。首先，创伤性损伤导致的细胞死亡和血管破裂会引发炎症和细胞毒性因子（例如活性氧）的产生，这一过程也被称为继发性损伤，这会进一步破坏原发损伤中未受损伤的脊髓连接，加剧其功能缺陷。其次，脊髓损伤会引发兴奋性的巨大改变，破坏受损脊髓神经回路的整体平衡。
面对巨大且未满足的脊髓损伤的医疗需求，如何通过药物治疗激活损伤后残留的神经回路，从而修复脊髓功能、恢复患者运动能力，仍然充满挑战。
2023年06月12日，浙江大学医学院王绪化研究员课题组（第一作者为左彦明，共同第一作者为叶婧佳博士）在 Nature Nanotechnology 期刊发表了题为：Controlled delivery of a neurotransmitter-agonist conjugate for functional recovery after severe spinal cord injury 的研究论文【1】。
该研究开发了一种可通过静脉注射的双功能智能纳米药物，能够高效且特异性靶向特定神经元，发挥神经保护和神经调控的双重作用，促进脊髓损伤后残留神经环路的完整性和功能恢复。该研究为中枢神经系统损伤后的药物调控提供理论依据，为脊髓损伤患者带来了更可及的潜在治疗方式，而不必依赖于昂贵的神经接口技术。
2023年5月24日，瑞士洛桑联邦理工学院 Grégoire Courtine 教授团队在 Nature 期刊发表论文【2】，通过一种脑-脊髓接口（BSI）设备调控残留神经回路，让大脑和参与行走的脊髓区域连接起来，帮助瘫痪患者重新实现了自然站立和行走。这项重大突破也凸显了调控残留神经环路的巨大潜力。
但上述这类脑-脊髓接口设备在实际临床转化过程中仍面临这几大难题：
1、该设备价格昂贵，难以实现大规模应用；
2、不能应用于急性期脊髓损伤的治疗；
3、无法在损伤急性期提供神经保护作用，从而帮助更多的神经环路存活。
如果能通过药物治疗促进脊髓损伤后的功能恢复，无疑更具临床转化和应用价值，对患者而言也更具可及性。
早在2018年，哈佛医学院何志刚院士和南通大学顾晓松院士团队合作在 Cell 期刊发表论文，该研究显示，KCC2的表达能够降低抑制性中间神经元的兴奋性，激活休眠的脊髓损伤过程中残留组织功能，使用KCC2激动剂CLP257治疗，能够促进脊髓损伤后功能恢复。但该方法也存在着一些不足之处：无法靶向特定神经环路、药物的生物利用度低、不能提供神经保护作用等。
基于以上研究成果，如果开发出一种高效、靶向特定神经环路，且具有神经保护作用的药物，用于急性期脊髓损伤的治疗，对于脊髓损伤患者的预后和功能恢复意义重大。
王绪化，浙江大学医学院脑科学与脑医学学院研究员，其实验室主要研究治疗中枢神经系统疾病的药物及药物递送系统。主要研究兴趣包括：大语言模型、基于人工智能技术的药物设计和AAV基因递送载体的设计开发，脑机接口及组织工程技术。
将药物“伪装”成神经递质，可以促使它们进入产生这些神经递质的神经元，因此，这种策略可用于递送靶向抑制性中间神经元的药物。具体来说，研究团队将经过验证的KCC2激活剂CLP-257与γ-氨基丁酸（GABA）或多巴胺（DOPA）偶联修饰，以实现向γ-氨基丁酸能神经元和多巴胺能神经元的特异性靶向。
为了促进微创给药和活性氧（ROS）响应性释放，研究团队设计并合成了一种含有聚乙二醇（PEG）亲水段和含硼基ROS清除剂的疏水段的两亲嵌段共聚物，用于包封疏水的偶联神经递质的CLP-257，从而构建了一种智能纳米药物（Smart nanodrugs）。该纳米药物可以通过静脉注射，在脊髓损伤部位响应ROS并释放药物。
智能纳米药物的合成及作用机制
研究人员表示，这种智能纳米药物是基于高分子的，可以生物降解，其降解途径与目前临床上广泛使用的脂质体类似。在细胞水平和活体动物水平的测试结果显示其毒性水平较低，团队也会进一步验证其体内的安全性。
接下来，研究团队测试了靶向γ-氨基丁酸能神经元的智能纳米药物（GABA-Nano）和靶向多巴能神经元的智能纳米药物（DOPA-Nano）的靶向和治疗效果，结果显示，GABA-Nano能够高效靶向γ-氨基丁酸能神经元，并在受损脊髓中表现出双重作用——清除受损组织中积累的活性氧，从而保护残留神经回路；通过靶向调节抑制性中间神经元，促进残留神经回路融入宿主脊髓。
GABA-Nano治疗重新平衡了神经元活动，显著改善了严重脊髓损伤后的大鼠后肢运动功能的恢复
这些研究结果告诉我们，通过提高脊髓损伤治疗药物的正确思路之一，就是通过提高神经调控靶向性并辅以神经保护功能，促进脊髓环路的完整性和功能性，是开发价格更适宜、普适性更强的高效脊髓损伤治疗药物的一个正确思路。
总的来说，研究开发了一种智能纳米药物，通过神经递质修饰，可实现对神经元亚型的特异性靶向，进而发挥神经保护和神经调控的双重作用，促进脊髓损伤后的功能恢复。这项研究提出了脊髓损伤后的药物治疗研究的新模式，也为促进脊髓损伤患者运动功能的恢复提供了有潜力的新方法。
值得一提的是，目前已经通过人工智能小分子设计平台FeatNN从包含数百万种化合物的化合物库中筛选到了更高效的KCC2激动剂，其调控效果相较于CLP257提高了数倍。这有望进一步提高GABA Nano的治疗效果，实现更完全的功能修复作用。
FeatNN平台由王绪化团队独立开发，该成果于2023年1月发表于 Briefings in Bioinformatics 期刊【3】，FeatNN通过协同进化策略，有效地表示了蛋白质的多模态信息（包括结构信息和序列信息），从而克服了蛋白质多模态信息表征的挑战。同时，在FeatNN中，蛋白质残基的距离矩阵被离散化为一维，并采用词嵌入策略对蛋白质结构信息进行编码，使网络能够有效表示蛋白质结构信息，同时降低计算与存储的开销成本。
人工智能（AI）技术正在医药研发领域释放巨大潜力，在这项研究中，AI可以针对KCC2靶标进一步筛选优化KCC2激动剂。主要应用场景有两个，一是对大规模化合物库进行虚拟筛选，对化合物和KCC2靶标的亲和力进行预测排名，缩小湿实验需要测试药物的数量，尽快找到先导化合物，节约时间成本和资金成本。二是可以通过AI技术对筛选到的先导化合物的结构进行进一步优化，以降低待选药物的EC50，提高其靶标选择性、降低生物毒性、提高其穿越血脑屏障的能力等等，进而提高其成药性。
论文链接：
1. https://www.nature.com/articles/s41565-023-01416-0
2. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06094-5
3. https://doi.org/10.1093/bib/bbac628
来源：生物世界
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