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基于干细胞膜的仿生靶向载体的构建及其对缺血性脑卒中治疗的研究

摘要缺血性脑卒中是最常见的炎性脑病之一,具有高发病率、高致残率和高致死率的特点,严重威胁着人类健康,造成了沉重的社会负担。目前对于缺血性脑卒中的治疗,面临两个重大瓶颈性问题。一为血脑屏障的存在,其高选择性和低通透性维持了脑内稳态的同时,也阻碍了药物向脑内的递送。缺乏有效的靶向递送系统,药物难以被精准递送至缺血病灶处。二是卒中发生后,常伴随着剧烈的炎症反应,若不能及时控制炎症发展易造成无法逆转的脑损伤。因此,利用缺血病灶区的炎性特征构建一种具有炎症脑部靶向能力的高效药物递送系统,实现对缺血性脑卒中的治疗逐渐成为一大研究热点。<br>  常见的靶向缺血性脑卒中后病灶的纳米递送载体有聚合物胶束,脂质体和无机纳米粒等,其中脂质体是较为常见、生物相容性好且修饰潜能较强的纳米递送系统。近年来,生物来源的递送系统在脑卒中靶向和治疗中显示出独有的优势。其中,干细胞具有向脑卒中的病灶部分靶向和迁移的能力,因此可以作为一种高效的炎症脑部靶向的药物/基因载体。干细胞膜是干细胞靶向能力的物质基础之一,保留了大量受体与配体,因而继承了干细胞的炎症靶向能力。相较于干细胞,干细胞膜修饰灵活性更高,尺寸范围更易控制,因而可用于纳米粒仿生修饰和炎症脑部靶向递送系统的构建。<br>  基于此,本研究针对缺血性脑卒中发生后病灶的炎性特点,结合细胞膜仿生修饰原理,利用干细胞膜和磷脂材料构建基于干细胞膜的仿生靶向载体。首先利用磷脂相似相融的融合原理,将干细胞膜与磷脂材料融合,制备仿生靶向载体,筛选适宜的融合方法和处方比例,并考察与不同电性磷脂材料的融合能力。而后,探究干细胞膜仿生靶向载体对脂溶性抗炎药物姜黄素和水溶性抗炎药物二甲双胍的装载能力和释放模式,考察药物递送系统的载药性能。并对所构建的干细胞膜仿生靶向载体的体内外生物相容性进行考察。在此基础上,追踪其体内分布与脑部炎症区域靶向能力,考察载抗炎药物的干细胞膜仿生靶向载体对脑卒中模型小鼠脑内的小胶质细胞表型改变和炎症调控能力,对其用于缺血性脑卒中治疗中的治疗效果进行考察。进一步的,对干细胞膜仿生靶向载体与受损脑微血管内皮细胞之间的特异性识别进行初步探究,解析其靶向机理。最后,验证了筛选所得制备方法具备一定通用性。<br>  首先,探究基于干细胞膜仿生靶向载体的构建方法,将间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)膜与磷脂材料进行融合。根据仿生修饰策略的制备方法,探究机械共挤出法和超声融合法在干细胞膜仿生靶向载体的应用。通过比较两种方法所制备的仿生靶向载体的粒径和产率,干细胞膜与磷脂材料的荧光共定位等,选择超声融合法作为适宜的制备方法。对干细胞膜和磷脂材料的比例进行细化筛选,根据粒径、zeta电位和干细胞膜与磷脂材料的荧光共定位结果,选择磷脂-干细胞膜总蛋白质量比1:0.5为适宜制备比例。对所制备的仿生靶向载体进行表征,干细胞膜已成功融合至脂质体中,其表面总蛋白和特征蛋白标志物均成功嫁接至仿生靶向载体中。并通过不同电性磷脂材料和间充质干细胞膜的搭配,构建不同电性的仿生靶向载体,表明此方法打破了细胞膜包被纳米技术的机械强度和电性限制。<br>  接下来,本研究对间充质干细胞膜仿生靶向载体的载药能力和释放模式进行考察。间充质干细胞膜仿生靶向载体对脂溶性抗炎药物姜黄素和水溶性抗炎药物二甲双胍均具有较好装载能力,较单纯脂质体,其载药能力未受到影响。并对两种药物均具有控制释放能力,在酸性环境下可实现药物的快速释放。继而对间充质干细胞膜仿生靶向载体的体内外生物安全性进行考察。较单纯脂质体,间充质干细胞膜仿生靶向载体对脑血管内皮细胞和小胶质细胞的体外细胞毒性显著降低。且溶血能力降低,血液安全性进一步提高。通过尾静脉单次注射后,在两周观察期内,小鼠无明显毒性反应,体重维持上升,各项生理指标均正常。两周后,检测小鼠的血常规和血生化指标,并对脑、心脏、肺、肝脏、脾脏和肾脏进行了切片和Hamp;E染色分析,结果显示血常规和血生化均未见变化,脏器质量稳定均一未见异常。表明间充质干细胞膜仿生靶向载体具有较好的体内外生物相容性。通过尾静脉注射后,间充质干细胞膜仿生靶向载体具有体内长循环能力,可在大脑中动脉闭塞(Middle cerebral artery occlusion,MCAO)小鼠的脑区病灶实现高效靶向和长滞留性。依据药物装载和体外释放情况,选择姜黄素装载的间充质干细胞膜仿生靶向载体对MCAO小鼠进行治疗,较单纯载药脂质体治疗,单次注射即可将MCAO小鼠的生存率从30%提升至90%以上。间充质干细胞膜仿生靶向载体对小胶质细胞具有较强的亲和力,载药后可在体内促使小胶质细胞从促炎型(M1型)向抑炎型(M2型)重极化,并显著降低炎症因子的释放水平。此外,小鼠的行为学探究表明,经装载姜黄素的间充质干细胞膜仿生靶向载体治疗后,MCAO小鼠可实现更好的神经和运动能力恢复。<br>  本研究对间充质干细胞膜仿生靶向载体的炎症脑靶向机理进行了初步探究。在间充质干细胞膜转移后,血管细胞粘附分子-1(Vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)的特异性配体极迟抗原-4(Very late antigen-4,VLA-4)被成功嫁接至干细胞膜仿生靶向载体中,并通过VCAM-1/VLA-4通路实现了与VCAM-1蛋白的特异性结合和受损脑血管内皮细胞靶向。干细胞膜仿生靶向载体被内吞进入内皮细胞后,几乎不进入溶酶体,并能跨越血脑屏障,以完整的形态渗透进入组织深处。提示VCAM-1/VLA-4通路是干细胞膜仿生靶向载体炎症脑部靶向的关键性分子通路。<br>  进一步验证干细胞膜仿生靶向载体的制备方法通用性,本研究构建了基于神经干细胞(Neural stem cells,NSCs)膜的仿生靶向载体。并利用脂溶性抗炎药物姜黄素和水溶性抗炎药物二甲双胍,对神经干细胞膜仿生靶向载体的载药能力进行考察。加入干细胞膜后,对两种药物的装载能力不产生影响,并具有控释能力。在神经干细胞膜融合后,神经干细胞膜仿生靶向载体对脑血管内皮细胞和小胶质细胞具有较好的体外生物相容性,并继承神经干细胞的体内长循环和脑炎症靶向的能力,实现了复杂生物功能的简易整合。<br>  综上,本研究利用干细胞膜与磷脂材料,构建了基于干细胞膜的仿生靶向载体,通过不同来源干细胞膜和不同性质药物验证了制备方法的通用性和递送系统的平台性。干细胞膜仿生靶向载体与内皮细胞、小胶质细胞具有高亲和力,可通过VCAM-1/VLA-4通路实现对病灶区域受损的脑血管内皮细胞的靶向作用。携载并靶向递送脂溶性抗炎药物姜黄素,可实现对MCAO小鼠的有效治疗,可调节小胶质细胞表型,抑制促炎性炎症因子的释放,提升MCAO小鼠的存活率。本文提出了细胞膜仿生功能修饰的新策略,为基于干细胞膜的仿生靶向载体的构建和缺血性脑卒中的治疗提供新思路和实验基础。

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