暨南大学陈填烽教授团队在纳米药物治疗缺血性脑卒中应用上取得新进展

【背景介绍】

缺血性脑卒中由于其致死率和长期致残率不断上升，已经成为威胁人类健康的主要疾病。近年来，尽管静脉溶栓与血管内治疗已经在临床上应用非常广泛，但是在血栓被取出或溶解后，脑缺血部位恢复血流供应，会导致超氧阴离子(·O²⁻)、过氧化氢(H₂O₂)和羟自由基(·OH)等活性氧(ROS)的过度产生，继而引起脑血管系统和神经网络的继发性损伤，即缺血再灌注损伤。因此，设计和开发具有高效抗氧化活性和生物相容性药物来治疗缺血性卒中再灌注引起的继发性损伤尤为重要。

【成果简介】

暨南大学陈填烽教授团队长期致力于纳米化学创新药物的功能化设计与疾病诊疗的应用研究。针对缺血性脑卒中再灌注引起的氧化损伤，该团队在具有抗氧化活性的二氧化铈（CeO₂）的表面“原位合成”金属有机框架（ZIF-8）得到CeO₂@ZIF-8复合纳米体系，实现增强复合纳米粒子的催化和抗氧化活性。ZIF-8封装可以控制CeO₂核的大小和表面电荷，缓慢暴露CeO₂活性成分，延长其血液循环时间，降低清除率，增强BBB穿透能力，提高生物利用率。结果表明，该纳米系统能有效抑制大脑动脉闭塞(MCAO)小鼠脑组织脂质过氧化，减少脑组织神经元的氧化损伤和凋亡。有趣的是，CeO₂@ZIF-8还通过抑制星形胶质细胞的激活和促炎细胞因子的分泌来抑制炎症和免疫反应引起的损伤，从而在缺血性卒中的神经保护治疗中实现了令人满意的预防和治疗，并且具有很高的安全性。

该成果以题为“Highly bioactive zeolitic imidazolate framework-8-capped nanotherapeutics for efficient reversal of reperfusion-induced injury in ischemic stroke”的研究论文发表在Science Advances上。

【图文解读】

图1：CeO₂@ZIF-8复合纳米体系结构分析

(A) CeO₂@ZIF-8复合纳米材料治疗缺血性卒中再灌注引起的继发性损伤及作用机理示意图。

(B,C,D,E) CeO₂, ZIF-8, CeO₂@ZIF-8 的SEM，TEM和元素分析。

(F,G,H) CeO₂, ZIF-8, CeO₂@ZIF-8的XRD，UV-Vis，Raman光谱分析。

(I,J,H) CeO₂, ZIF-8, CeO₂@ZIF-8 的XPS分析与Zn 2p和Ce 3d精细谱图。

图2：CeO₂@ZIF-8复合纳米体系体外清除ROS能力检测

(A) CeO₂@ZIF-8复合纳米粒子体外清除ROS示意图。

(B) ABTS法检测CeO₂, ZIF-8, CeO₂@ZIF-8 三者总清除自由基能力。

(C) 原位拉曼检测CeO₂@ZIF-8 循环清除过氧化氢（H₂O₂）能力。

(D) 5%过氧化氢溶液分解CeO₂@ZIF-8外壳（ZIF-8） 的TEM图。

(E,F) EPR与紫外光谱分析CeO₂, ZIF-8, CeO₂@ZIF-8清除羟自由基能力。

(G,H) EPR与荧光光谱分析CeO₂, ZIF-8, CeO₂@ZIF-8清除超氧阴离子自由基能力。

图3：CeO₂@ZIF-8复合纳米体系通过清除ROS减少脑组织神经细胞的氧化损伤和凋亡

(A) CeO₂, ZIF-8, CeO₂@ZIF-8 逆转t-BOOH引起神经细胞死亡。

(B,C) 流式细胞仪检测CeO₂@ZIF-8逆转t-BOOH引起的细胞凋亡。

(D) CeO₂@ZIF-8 清除t-BOOH引起的细胞内过量ROS累积。

(E) 荧光显微镜下观察CeO₂@ZIF-8逆转t-BOOH引起的细胞内线粒体断裂。

(F,G,H) 体外检测CeO₂@ZIF-8穿透血脑屏障。

图4：CeO₂@ZIF-8复合纳米体系胞吞进入细胞的机制研究

(A) CeO₂@ZIF-8复合纳米体系的胞吞机制示意图。

(B) CeO₂@ZIF-8复合纳米体系胞吞进入细胞的TEM图。

(C) CeO₂@ZIF-8复合纳米体系分别在Ⅰ：水；Ⅱ：PBS (pH=7.4)；Ⅲ：PBS ( pH=5.3) 溶液中的TEM图。

(D) CeO₂@ZIF-8复合纳米体系在细胞内与溶酶体共定位荧光照片。

(E) CeO₂@ZIF-8复合纳米体系在细胞内的吸收情况。

(F,G) 胞吞抑制剂验证CeO₂@ZIF-8复合纳米体系进入细胞的途径。

图5：CeO₂@ZIF-8复合纳米体系抑制大脑中动脉闭塞(MCAO)小鼠脑组织脂质过氧化

(A,B,C) MCAO模型小鼠脑组织TTC染色照片、梗死面积分析和行为学分析，评价CeO₂@ZIF-8减少缺血性脑卒中引起的梗死面积扩大。

(D) CeO₂@ZIF-8纳米体系在脑组织细胞中的TEM图。

(E,F) CeO₂与CeO₂@ZIF-8复合纳米体系的药代动力学分析与脏器分布。

(G,H) CeO₂@ZIF-8减少MCAO小鼠脑组织损伤部位的超氧阴离子和脂质过氧化代谢物丙二醛。

(I,J) MCAO小鼠脑组织损伤部位过氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的变化。

图6：CeO₂@ZIF-8复合纳米体系抑制缺血性脑卒中再灌注引起的炎症损伤。

(A,B) MCAO小鼠脑组织切片HE染色与尼氏染色评估CeO₂@ZIF-8减少缺血性脑卒中引起的损伤。

(C) 脑组织切片TUNEL与Hoechst双染评估CeO₂@ZIF-8减少缺血性脑卒中引起的神经细胞凋亡。

(D,E,F) CeO₂@ZIF-8降低GFAP（星形胶质细胞的标志物）与Iba-1（小胶质细胞的标志物）在脑组织损伤部位的表达。

(G,H,I) CeO₂@ZIF-8降低脑组织损伤部位炎症相关细胞因子的表达。

小结：

总而言之，该研究将多种纳米级别的抗氧化纳米粒子，通过化学结合，获得具有更加优异的抗氧化活性的新型复合纳米药物，减少缺血性脑卒中再灌注损伤，为缺血性脑卒中治疗提供了新思路。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/12/eaay9751

通讯作者简介：

陈填烽教授团队一直致力于靶向化学创新药物的应用研究，获得万人计划青年拔尖人才项目、国家863计划、国家自然科学基金项目及广东省自然科学杰出青年基金等项目的资助，以第一完成人获得了广东省自然科学二等奖、中华医学滚球体育 -青年滚球体育 奖等8项滚球体育 奖励。近五年以通讯作者在Science Advances、Angew. Chem. Int. Edit.、Adv Funct Mater、ACS Nano及Biomaterials等本领域主流杂志发表论文超过200篇，封面论文30篇，h-index 54，申报中国专利52项，实现技术成果转化8项，产生了重要的经济及社会效应。