负载N-乙酰半胱氨酸的电纺核壳纳米纤维：一种用于脊髓损伤中铁死亡（ferroptosis）治疗的有前景的系统

《European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics》：N-acetylcysteine loaded electrospun core/shell nanofibers: a promising system for ferroptosis in spinal cord injury

脊髓损伤后次生损伤机制包括氧化应激、炎症和细胞死亡，本研究采用乳液电纺技术制备聚丙烯乳酸（PCL）核壳纳米纤维负载N-乙酰半胱氨酸（NAC），通过表面活性剂 Span 80 和 Pluronic F127 提高纳米纤维亲水性和稳定性，体外实验显示其促进细胞迁移和存活，体内实验证实可减轻氧化铁死亡和炎症，促进神经再生及运动功能恢复。

　　脊髓损伤（SCI）是一种严重且常常不可逆的疾病，会导致显著的运动、感觉和自主神经功能障碍，严重影响患者的生活质量。尽管神经科学和再生医学领域取得了诸多进展，但SCI的治疗仍然面临巨大挑战，主要归因于其复杂的病理生理机制以及现有治疗手段的疗效有限。SCI通常分为两个阶段：首先是直接的机械性损伤，随后是一系列继发性损伤机制的连锁反应，这些机制会随着时间推移而演变。在这些继发性损伤中，氧化应激被认为是核心因素之一，它会引发广泛的神经元和胶质细胞损伤，导致炎症和神经功能障碍。此外，线粒体功能障碍也被认为是增加活性氧（ROS）产生的重要原因，进一步加剧了组织的退化。目前，针对SCI的治疗策略包括药物递送、细胞疗法和损伤部位的桥接技术，但这些方法往往受到治疗药物在中枢神经系统（CNS）中快速清除和生物利用度低的限制。

为了克服这些局限，基于纳米技术的药物递送系统，特别是电纺纳米纤维，已被提出作为提高药物在损伤部位局部和持续释放的有前景工具。电纺纳米纤维具有高表面积与体积比，并且在结构上与天然细胞外基质相似，这使得它们成为生物医学应用的理想材料，包括组织工程和神经再生。特别是在神经修复的背景下，电纺纳米纤维作为合成替代品，显示出比生物神经移植物更大的潜力，后者可能因异体或自体移植带来的免疫反应或供体部位并发症而受到限制。

在众多电纺策略中，乳剂电纺技术已被认为是制造核心/壳层纳米纤维的有效方法，其中治疗药物被封装在水包油（W/O）或油包水（O/W）乳剂的内相中。这种方法提供了两个主要优势：一是可以减少敏感生物活性分子与有害有机溶剂的直接接触，从而更有效地将亲水性药物封装到疏水性聚合物基质中；二是可以在不依赖复杂的共轴喷头的情况下，形成均匀的核心/壳层结构。由于这些优势，乳剂电纺技术为开发基于纳米纤维的药物递送系统提供了有效的平台，特别是在需要持续和局部释放的治疗场景中。

本研究旨在利用乳剂电纺技术开发一种载有N-乙酰半胱氨酸（NAC）的核心/壳层电纺纳米纤维，并通过体外表征和体内疗效研究，全面评估其作为局部治疗系统的潜力。NAC是一种含硫的抗氧化剂，同时也是谷胱甘肽的前体，已在多种与氧化应激相关的神经退行性疾病中展现出显著的神经保护作用。研究表明，NAC可以减少神经元退化、抑制小胶质细胞激活并减轻炎症反应。然而，NAC的临床效果受到其半衰期短、系统清除快以及通过传统给药途径（如静脉或腹腔注射）难以有效穿透中枢神经系统的影响。由于其亲水性质和在生理pH下带有负电荷的羧基，NAC在细胞和血-脊髓屏障的通过性较差，因此通常需要高剂量和频繁给药才能达到治疗水平，这导致了不同研究中结果的差异性。

本研究通过将NAC封装在聚己内酯（PCL）纳米纤维中，提出了一种新的局部抗氧化递送方案。PCL是一种合成、可生物降解的聚酯，广泛用于生物医学领域，因其良好的生物相容性、机械强度和较长的降解时间而受到青睐。尽管PCL本身具有疏水性和有限的生物活性，但其在医疗设备如可吸收缝线和手术网中的应用表明了其作为药物载体的潜力。此外，PCL已获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准，进一步支持了其在临床使用中的安全性和适用性。

通过使用Span 80和Pluronic F127作为表面活性剂，本研究成功地稳定了乳剂，并提高了纳米纤维的亲水性。最终获得的NAC核心/壳层纳米纤维（NAC-CSN）表现出均匀的形态、良好的润湿性和优异的机械性能，同时支持细胞的存活和迁移。体外研究表明，NAC-CSN能够实现数天的持续释放，表明其释放机制受扩散控制。在SCI大鼠模型中，NAC-CSN的治疗显著减轻了氧化和铁死亡损伤，并促进了早期神经再生，从而实现了可测量的运动功能恢复。这些发现表明，NAC-CSN支架为应对SCI的继发性损伤提供了一种有效的神经保护策略，并通过在损伤部位实现局部抗氧化递送，代表了未来组织工程和转化治疗的临床应用平台。

在本研究中，通过DSC分析进一步验证了NAC-CSN的热性能。纯NAC的DSC热图显示了一个在115.08℃处的尖锐吸热熔融峰，而纯PCL则表现出一个在61.45℃处的特征熔融峰。同样，Pluronic F127作为稳定剂被封装在乳剂的水相中，其纯形式在59.31℃处表现出一个独特的熔融峰。然而，在NAC-CSN的DSC热图中，NAC和Pluronic F127的熔融峰均未被检测到，这表明它们可能在纳米纤维结构中发生了相互作用或融合，从而影响了其热行为。这种现象进一步支持了NAC-CSN在药物释放和物理结构上的稳定性。

在细胞培养实验中，使用了Dulbecco’s Modified Eagle Medium（DMEM）、胎牛血清（FBS）、青霉素-链霉素和L-谷氨酰胺等材料。这些材料确保了细胞培养环境的稳定性和适宜性，从而能够准确评估NAC-CSN对细胞存活和迁移的影响。此外，实验过程中使用了分析级溶剂和试剂，以确保实验结果的准确性和可重复性。

本研究的结论表明，通过乳剂电纺技术开发的NAC-CSN纳米纤维为SCI的局部治疗提供了一种有前景的方案。NAC-CSN表现出良好的形态、热、机械和润湿性能，并能够实现六天的持续和可控释放，优于传统的纳米纤维系统。体外研究确认了其生物相容性和促进细胞迁移的能力，而体内实验则通过生物标志物分析和功能评估，验证了其对继发性损伤机制和神经功能恢复的积极影响。这些结果不仅为SCI的治疗提供了新的思路，也为基于纳米纤维的药物递送系统在生物医学领域的应用奠定了基础。

综上所述，本研究通过开发一种新型的NAC-CSN纳米纤维，展示了纳米技术在改善药物递送效率、促进神经修复方面的巨大潜力。NAC-CSN的结构设计和材料选择不仅考虑了药物的稳定性和释放特性，还兼顾了其在生物医学环境中的适用性和安全性。通过结合电纺技术和乳剂稳定策略，本研究为未来开发更高效的SCI治疗方案提供了重要的参考。此外，该研究还强调了局部药物递送在提高治疗效果和减少系统副作用方面的重要性，这为纳米纤维在其他疾病治疗中的应用提供了启示。