編者按
當(dāng)前，帕金森病 (PD)作為全球第二大神經(jīng)退行性疾病，其核心病理為多巴胺能神經(jīng)元退化，導(dǎo)致紋狀體多巴胺缺乏嚴(yán)重不足，從而引發(fā)認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)功能障礙。臨床上標(biāo)準(zhǔn)治療法多采用左旋多巴、多巴胺激動(dòng)劑等多巴胺替代療法，但其存在療效短、藥物相關(guān)并發(fā)癥、多巴胺失調(diào)綜合征等問題；深部腦刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）療法，被美國FDA批準(zhǔn)用于晚期PD患者，通過在患者腦內(nèi)深部植入電極，施加電脈沖來改善癥狀，但其需侵入性植入電極，且存在感染、出血、排異等風(fēng)險(xiǎn)，無法阻止神經(jīng)元進(jìn)行性退化，長期療效受限。如何才能克服深部腦刺激（DBS）的侵入性，同時(shí)解決PD進(jìn)行性神經(jīng)退化問題？
近期，環(huán)特生物客戶、杭州師范大學(xué)材化學(xué)院劉俊秋教授團(tuán)隊(duì)在ACS Nano（IF=15.4）上發(fā)表了最新研究成果，該研究首次將多酶級(jí)聯(lián)抗氧化與無線DBS納米平臺(tái)相融合，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種無植入、近紅外二區(qū)（NIR-II）驅(qū)動(dòng)的復(fù)合納米顆粒mPDA-SeMn-IR。該納米顆粒（mPDA-SeMn-IR），集成了無線深腦刺激與抗氧化神經(jīng)保護(hù)功能，可用于治療帕金森病。在斑馬魚帕金森模型中，mPDA-SeMn-IR可以調(diào)節(jié)中腦神經(jīng)元和盤繞行為，并顯著緩解運(yùn)動(dòng)癥狀，實(shí)現(xiàn)對(duì)帕金森病的低侵入、非藥物協(xié)同干預(yù)，為解決PD治療中面臨的挑戰(zhàn)提出了一種有前景的治療策略。
本研究中，部分斑馬魚實(shí)驗(yàn)由環(huán)特生物開展，在斑馬魚帕金森模型（詳情：斑馬魚帕金森病運(yùn)動(dòng)功能障礙評(píng)價(jià)模型）中，多酶級(jí)聯(lián)抗氧化與深部腦刺激協(xié)同作用顯著改善運(yùn)動(dòng)行為，并有效保護(hù)中腦多巴胺能神經(jīng)元。歡迎新老客戶咨詢！
01、研究亮點(diǎn)
首次成功合成了無植入設(shè)計(jì)的mPDA-SeMn-IR納米顆粒，結(jié)合了無線光熱深腦刺激與多酶模擬抗氧化能力，避免了傳統(tǒng)深腦刺激手術(shù)中電極的永久植入，減少了侵入性風(fēng)險(xiǎn)；
在細(xì)胞和斑馬魚帕金森等模型中，均證實(shí)了其能高效清除活性氧，保護(hù)神經(jīng)元免受氧化損傷，從而協(xié)同提升深腦刺激的長期療效，具有神經(jīng)保護(hù)與行為改善效果；
揭示了光熱神經(jīng)調(diào)控可用于帕金森病治療，通過光熱激活I(lǐng)P?受體介導(dǎo)的Ca²?信號(hào)，上調(diào)酪氨酸羥化酶表達(dá)與磷酸化，促進(jìn)多巴胺合成與釋放。
圖形摘要
02、主要研究成果
1. mPDA-SeMn-IR的合成與表征
研究人員首次將多酶級(jí)聯(lián)抗氧化與無線DBS納米平臺(tái)相融合，設(shè)計(jì)并合成了近紅外二區(qū)（NIR-II）驅(qū)動(dòng)的復(fù)合納米顆粒mPDA-SeMn-IR，具有介孔結(jié)構(gòu)、高負(fù)載能力與穩(wěn)定的光熱性能。它以多孔聚多巴胺（mPDA）為核，通過席夫堿反應(yīng)和靜電吸附在其表面負(fù)載含硒小分子 SePh（具谷胱甘肽過氧化物酶 GPx 活性）及MnO2納米顆粒（兼具過氧化氫酶CAT和超氧化物歧化酶SOD活性）。
在受損多巴胺能神經(jīng)元中，SePh可將過氧化物轉(zhuǎn)化為低毒醇類，而MnO2通過級(jí)聯(lián)反應(yīng)先將超氧陰離子（O2•−）轉(zhuǎn)化為H2O2，再分解為H2O與O2。mPDA則能直接與羥基自由基（•OH）及其他活性自由基反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì) ROS 的全方位清除。值得注意的是，本體系中MnO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%，可避免因高濃度MnO2消耗細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽，并通過類芬頓反應(yīng)產(chǎn)生•OH的副作用。
圖1
圖2
2. 對(duì)多酶催化活性和ROS消除能力進(jìn)行評(píng)估
隨后，研究人員對(duì)mPDA-SeMn-IR開展了多酶催化活性和ROS清除能力等多重抗氧化能力驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)mPDA-SeMn-IR展現(xiàn)出SOD、CAT、GPx等多種酶模擬活性，能高效清除超氧陰離子、過氧化氫、羥基自由基等多種活性氧。
mPDA-SeMn-IR的SOD/CAT模擬活性顯著優(yōu)于mPDA。濃度依賴性清除實(shí)驗(yàn)顯示，mPDA-SeMn-IR（75µg/mL）清除了黃嘌呤-黃嘌呤氧化酶產(chǎn)生的O??的79.2%，比mPDA高3.73倍，并降解了H?O?的71.6%，效率比mPDA高3.06倍；羥基自由基 (•OH) 清除能力方面，mPDA-SeMn-IR與mPDA表現(xiàn)相當(dāng)，均為約75%；DPPH自由基清除能力方面，在所有測試濃度下，mPDA-SeMn-IR與mPDA兩種納米顆粒幾乎都消除了超過90%的DPPH。因此，這些結(jié)果驗(yàn)證了mPDA-SeMn-IR具有強(qiáng)大的多重抗氧化作用。
圖3
3. 細(xì)胞模型評(píng)估m(xù)PDA-SeMn-IR的神經(jīng)保護(hù)作用及其機(jī)制驗(yàn)證
隨后，研究人員在分化的PC-12細(xì)胞中，系統(tǒng)探究了mPDA-SeMn-IR的神經(jīng)毒性特征和細(xì)胞攝取過程，并在6-OHDA誘導(dǎo)的PD細(xì)胞模型中，模擬多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)的神經(jīng)毒性，來評(píng)估m(xù)PDA-SeMn-IR的神經(jīng)保護(hù)功效。結(jié)果表明，mPDA-SeMn-1R完全恢復(fù)了6-OHDA誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡(保護(hù)指數(shù)112.9%)，優(yōu)于mPDA-Mn和mPDA-Se。
進(jìn)一步機(jī)制驗(yàn)證，結(jié)果顯示，mPDA-SeMn-IR可以顯著降低ROS水平，恢復(fù)GSH/GSSG比值；抑制α-突觸核蛋白表達(dá)；維持線粒體結(jié)構(gòu)和功能；顯著抑制Caspase-3/7活性，減少細(xì)胞凋亡。KEGG分析顯示，凋亡相關(guān)通路基因顯著下調(diào)。因此，mPDA-SeMn-IR通過多重機(jī)制，可以有效保護(hù)神經(jīng)元免受氧化應(yīng)激和凋亡損傷。
圖4
4. 光熱調(diào)控細(xì)胞Ca²?信號(hào)響應(yīng)，并增強(qiáng)多巴胺能功能
研究人員通過將PC-12細(xì)胞與mPDA-SeMn-Cy5/mPDA-SeMn-IR共孵育24小時(shí)，并用Ca²?指示劑Fluo-8染色，探究了Ca²?信號(hào)的光熱調(diào)控機(jī)制。在NIR?II（1064?nm）光照下，溫和的光熱效應(yīng)可快速激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)肌醇三磷酸受體IP3R，可重復(fù)地控制內(nèi)質(zhì)網(wǎng) Ca2+釋放。進(jìn)一步機(jī)制驗(yàn)證顯示，局部光熱加熱直接激活I(lǐng)P?Rs，啟動(dòng)局部Ca²?釋放，該釋放通過相鄰ER域的Ca²?誘導(dǎo)的Ca²?釋放（CICR）進(jìn)行傳播，利用內(nèi)源性放大通路實(shí)現(xiàn)Ca²?信號(hào)傳播。
Ca2+信號(hào)激活下游信號(hào)通路，上調(diào)多巴胺合成限速酶酪氨酸羥化酶（TH）的表達(dá)及磷酸化水平，促進(jìn)多巴胺合成；同時(shí)，Ca2+信號(hào)還能促進(jìn)多巴胺囊泡的胞外釋放，兩者協(xié)同提升胞外多巴胺濃度。免疫熒光定量顯示，相較于對(duì)照組，6-OHDA損傷的細(xì)胞使TH和pTH-Ser31水平分別降低了24%和17%，而mPDA-SeMn-IR則使它們完全恢復(fù)。PC-12細(xì)胞的光熱激活顯著增加了多巴胺生物合成，使細(xì)胞內(nèi)和分泌的多巴胺水平，相對(duì)于對(duì)照組和mPDA-SeMn-IR組均增加了1.2倍。共聚焦顯微鏡觀察顯示，囊泡熒光減弱，伴隨細(xì)胞質(zhì)Ca²?升高，證實(shí)Ca²?依賴性釋放。酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn) (ELISA) 顯示，培養(yǎng)基中多巴胺濃度顯著升高，光熱處理使其增加到17.8 pg/mL，而單獨(dú)激光或納米顆粒均無任何效果。藥理學(xué)驗(yàn)證證實(shí)了胞吐機(jī)制，使用囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)/融合抑制劑，可以顯著降低光熱誘導(dǎo)的多巴胺釋放。
圖5
5. 光熱調(diào)控斑馬魚盤繞行為
斑馬魚由于其光學(xué)透明性、易于觀察、可量化的行為分析等特性，為光學(xué)神經(jīng)調(diào)控提供了理想的模型。在斑馬魚模型中，腦腔室注入mPDA?SeMn?IR并用1064?nm激光照射，可激活中腦神經(jīng)元中的Ca2+和電生理信號(hào)。電生理記錄顯示，腦室內(nèi)注射后，激光照射會(huì)誘發(fā)可重復(fù)的局部場電位/電流信號(hào)。
通過顯微注射mPDA-SeMn-IR（12.5 ng），觀察并記錄斑馬魚胚胎的盤繞行為。在3分鐘觀察期間對(duì)盤繞次數(shù)的量化結(jié)果顯示，激光照射會(huì)顯著誘導(dǎo)斑馬魚胚胎產(chǎn)生盤繞運(yùn)動(dòng)，光熱刺激誘導(dǎo)的活動(dòng)性是對(duì)照組的2.24倍（激光組 38 次 vs 對(duì)照組17次）；多輪 (3輪) 間歇照射，結(jié)果均顯示，NIR-II激光刺激會(huì)顯著增加盤繞次數(shù)。因此，在斑馬魚大腦中，mPDA-SeMn-IR實(shí)現(xiàn)了光熱神經(jīng)調(diào)控，驅(qū)動(dòng)特定行為輸出。
圖6
6. 斑馬魚帕金森模型證實(shí)mPDA-SeMn-IR可以緩解帕金森癥狀
最后，研究人員在6-OHDA誘導(dǎo)的斑馬魚帕金森模型中，探究了mPDA-SeMn-IR的治療效果。通過對(duì)4dpf的斑馬魚進(jìn)行腦室內(nèi)注射mPDA-SeMn-IR或細(xì)胞外溶液，并暴露于6-OHDA（250µM）中43小時(shí)，評(píng)估斑馬魚的游泳行為、運(yùn)動(dòng)軌跡和速度等。結(jié)果顯示，6-OHDA損傷的斑馬魚運(yùn)動(dòng)模式受損，表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)距離短、速度慢、休息時(shí)間長等。單獨(dú)的mPDA-SeMn-IR和光熱療法，可以顯著恢復(fù)其運(yùn)動(dòng)功能，優(yōu)于單獨(dú)的NIR-II，并與臨床一線藥物美多芭片(Madopar)（左旋多巴/芐絲肼聯(lián)合療法）相當(dāng)。
隨后，研究人員又利用轉(zhuǎn)基因斑馬魚實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，6-OHDA損傷使TH?神經(jīng)元面積減少至對(duì)照組的53.2%，而單獨(dú)的mPDA-SeMn-IR部分逆轉(zhuǎn)了這一情況（68.8%恢復(fù)），但通過光熱激活或美多芭則完全恢復(fù)。這些結(jié)果表明，光熱激活通過提高腦多巴胺水平，抑制了多巴胺能神經(jīng)元的變性。
圖7
本研究中，部分斑馬魚實(shí)驗(yàn)由環(huán)特生物開展，在斑馬魚帕金森模型（詳情：斑馬魚帕金森病運(yùn)動(dòng)功能障礙評(píng)價(jià)模型）中，多酶級(jí)聯(lián)抗氧化與深部腦刺激協(xié)同作用顯著改善運(yùn)動(dòng)行為，并有效保護(hù)中腦多巴胺能神經(jīng)元。歡迎新老客戶咨詢！
03、編者點(diǎn)評(píng)
本研究成功開發(fā)了一種兼具多酶級(jí)聯(lián)抗氧化與NIR?II深部腦刺激的“二合一”納米顆粒mPDA-SeMn-IR，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帕金森病的低侵入、非藥物協(xié)同干預(yù)，可用于創(chuàng)新性的PD治療，并展現(xiàn)出在神經(jīng)元精確調(diào)控與神經(jīng)環(huán)路重構(gòu)方面的巨大潛力。光熱激活能有效刺激中腦神經(jīng)元，并控制胚胎斑馬魚的盤繞行為。在斑馬魚PD模型中，mPDA-SeMn-IR恢復(fù)了運(yùn)動(dòng)能力并保護(hù)了TH神經(jīng)元，為神經(jīng)退行性疾病的治療提供了一種有潛力的治療策略。
作為健康美麗產(chǎn)業(yè)CRO服務(wù)開拓者與引領(lǐng)者、斑馬魚生物技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，環(huán)特生物搭建了“斑馬魚、基因編輯、類器官、哺乳動(dòng)物、人體”等多維生物技術(shù)服務(wù)體系，開展健康美麗CRO服務(wù)、科研服務(wù)、智慧實(shí)驗(yàn)室搭建三大業(yè)務(wù)。目前，環(huán)特已建立200多種斑馬魚模型，腦類器官、胃癌、心臟類器官及各種腫瘤類器官培養(yǎng)平臺(tái)，歡迎有需要的讀者垂詢！
參考文獻(xiàn)：
Zhou, Chen, et al. “An Implant-Free Nanosystem Enabling Synergistic Oxidative Damage Mitigation and Deep Brain Stimulation for Alleviating Parkinsonian Symptoms.” ACS Nano, vol. 19, no. 20, 2025, pp. 26715–34. ACS Publications, doi:10.1021/acsnano.5c06227.