大多数人类脊髓损伤(SCI)病例在解剖学上是不完整的，这意味着损伤附近、上方和下方的神经元回路中的某些连接得以保留。然而，至少有两个主要的病理过程会阻止这些备用连接发挥作用。首先，创伤性损伤导致的细胞死亡和血管破裂通过称为继发性损伤的过程引发炎症和活性氧(ROS)等细胞毒性因子的产生，进一步破坏在原发性损伤中幸免的脊柱连接并加剧功能赤字。其次，SCI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。
将药物伪装成神经递质可以促进它们输送到合成这些神经递质的神经元中。因此，浙江大学王绪化教授课题组假设可以使用类似的策略来递送靶向抑制性中间神经元的药物。具体来说，研究人员报告了一种微创纳米药物递送系统的开发，该系统由对活性氧物质敏感的两亲共聚物和封装的神经递质偶联的KCC2激动剂组成。静脉内给药后，由于血-脊髓屏障的破坏和损伤引发的活性氧物质的分解，纳米药物进入受伤的脊髓。纳米药物在受伤的脊髓中表现出双重功能：清除病变中积累的活性氧，从而保护幸免的组织，并通过抑制性神经元的靶向调节促进幸免的电路整合到宿主脊髓中。这种微创治疗可使患有挫伤性脊髓损伤的大鼠显着恢复功能。相关研究成果以题为“Controlled delivery of a neurotransmitter–agonist conjugate for functional recovery after severe spinal cord injury”发表在最新一期《Nature Nanotechnology》上。
【设计的纳米药物的合成和表征】
为了特异性靶向感兴趣的神经元，KCC2激动剂CLP-257与神经递质GABA或多巴胺结合（图1a）。GABA或多巴胺偶联的前药在生理条件下水解后释放CLP-257。然而，合成的前药具有疏水性，在生理环境中溶解性差，限制了它们在无创给药方面的适用性和有效性。为了克服这些限制，作者设计了一种具有基于PEG的亲水段和具有基于硼的ROS清除剂的疏水段的两亲嵌段共聚物来封装这些前药，纳米药物表面接近中和（图1）。空纳米载体（ROS Nano）对H2O2刺激反应迅速，并表现出明显的膨胀和塌陷（图1e-g）。此外，包封在ROS Nano中的尼罗红染料的释放曲线与H2O2浓度呈正相关（图1h），表明纳米药物对ROS刺激高度敏感。
图 1. 智能纳米药物的设计和表征
【增强病灶定位和靶向功效】
SCI损害脊髓的完整性，导致血脊髓屏障(BSCB)的急性破坏。这反过来又会导致炎症细胞在病变部位积聚，从而形成具有高毒性ROS26的环境。由于纳米药物对ROS刺激有强烈反应，它们可以在受伤脊髓富含ROS的环境中响应性地释放其前药有效载荷（图2）。为了进一步表征纳米药物在受损脊髓中的趋向性，纵向脊髓切片用GABA能和多巴胺能神经元标记物进行免疫染色，并进行共定位分析。结果表明纳米药物具有高选择性和效力，毒性可忽略不计（图2）。
图 2. 智能纳米药物在脊髓损伤部位聚集，选择性靶向特定神经元
【有效载荷交付与早期 BSCB 恢复同时进行】
由于SCI诱导的ROS上调持续数月，作者预计设计的纳米药物可能会释放封装的前药以响应ROS，进而穿透受损的脊髓（图3a）。结果作者发现纳米药物可以将Cy5.5转运到脊髓损伤后4天或更晚注射的大鼠的病变附近的脊髓中，同时在SCI后7天注射的大鼠的荧光强度比在SCI后4或14天注射的大鼠强得多（图3b、c）)，这意味着药物渗透不依赖于纳米颗粒的渗透，而是依赖于纳米颗粒的分解效率。随着ROS水平在SCI37后7天达到峰值，纳米药物可以更有效地分解并释放其小分子货物。最终，更多的小分子化合物渗透到恢复的BSCB中（图3b、c）。BSCB中的小分子渗透依赖于ROS刺激（图3d），并且Cy5.5穿透BSCB并优先标记神经元（图3e）。
图 3. 即使在 BSCB 恢复后，ROS 响应纳米药物递送系统也能将小分子递送到脊髓中
【纳米药物保护幸存的组织/轴突免受二次损伤】
作者进一步评估这种治疗是否可以改善 SCI 诱导的神经炎症环境并保护幸免的组织/轴突免受继发性损伤（图4a）。结合神经保护结果（图4b-e）和机制分析(图4f-h)，作者证实 ROS Nano 治疗在 SCI 后提供了可靠的保护作用。然而，ROS Nano 处理保留的备用组织仅能实现有限的后肢运动恢复。
图 4. ROS Nano 处理可保护幸免的组织/轴突免受二次损伤
【治疗改善脊髓损伤后后肢运动恢复】
作者推测，源自幸免的下行轴突或幸免的中间神经元的脊髓回路无法调节后肢运动，因为脊髓中间神经元在SCI后过度活跃，因此无法有效地将信号从大脑传递到腰骶中央模式发生器。他们试图评估神经元靶向治疗是否会促进这些回路整合到宿主脊柱网络中并改善挫伤模式下的后肢运动功能。结果表明：GABA Nano和DOPA Nano处理与ROS Nano处理相比，在保护幸免组织（包括保留的轴突和中间神经元）方面显示出相同的神经保护作用。详细的后肢运动学揭示了GABA纳米治疗的以下显着改进：(1)增加重量支撑（增加髂嵴高度）；(2)增加最大脚趾高度和高能力；(3)脚踝振幅显着增加。
图 5. GABA Nano 治疗改善严重挫伤性 SCI 大鼠后肢运动功能的恢复
【GABA Nano治疗调节局部脊髓回路】
为了评估 GABA Nano治疗是否通过类似机制改善了功能恢复，作者使用 c-Fos蛋白免疫反应性作为检测脊髓中间神经元神经元活动的指标。结果表明GABA Nano 靶向治疗将 SCI 诱导的不规则活动模式转变为更生理的状态，并允许源自保留的轴突和中间神经元的备用电路整合到局部脊髓电路中，并重新接合腰骶中央模式发生器执行功能。
图 6. GABA Nano 治疗重新平衡神经元活动并激活挽救的残余脊髓回路以执行功能
【小结】
本文结合了药物(Z)-5-(4-fluoro-2-hydroxybenzylidene)-2-(tetrahydropyridazin-1(2H)-yl)thiazol-4(5H)-one(CLP-257)，经过验证KCC2激活剂，可降低细胞内氯化物浓度并降低神经元对γ-氨基丁酸(GABA)或多巴胺的兴奋性，据报道，后者在运动控制中发挥重要作用。为了促进微创给药和ROS响应性释放，作者设计并合成了一种具有基于聚乙二醇(PEG)的亲水性片段和具有基于硼的ROS清除剂的疏水性片段的两亲性嵌段共聚物，以封装疏水性前药。这些基于胶束的纳米药物可以静脉注射，并且ROS响应性地在损伤部位释放前药。本文的药理学方法在患有SCI的大鼠中引起了实质性的功能恢复，表明了针对SCI和其他神经系统疾病的治疗有希望的方向。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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