通过电化学传感技术揭示干细胞外泌体在脑缺血中的神经保护作用

《Microchemical Journal》：Unlocking the neuroprotective role of stem cell exosomes in cerebral ischemia via electrochemical sensing

缺血性脑损伤电化学传感器circ_TRIM46外泌体干细胞治疗|通路机制

　　

魏一柳|叶俊成|陈伟志|翁庚|吴巧怡

福建省医科大学第一附属医院创伤中心与急诊外科，中国福建省福州市350000

摘要

随着人口老龄化加剧，缺血性脑损伤的发病率正在上升。电化学传感器能够实现对生物标志物的高灵敏度检测，为该疾病的早期诊断和治疗监测提供重要支持。在缺血性脑损伤的诊断中，电化学传感器可用于检测血液或脑脊液中的相关生物标志物。本研究旨在利用电化学传感器技术探讨骨髓间充质干细胞衍生的外泌体环TRIM46（circ_TRIM46）在缺血性脑损伤中的作用机制，并评估其作为潜在治疗靶点的可行性。体外实验中，使用经氧糖剥夺（OGD）处理的BV-2细胞模型来模拟缺血性脑损伤，并检测circ_TRIM46对细胞存活率、凋亡和炎症反应的影响。体内实验中，建立了大脑中动脉阻塞（MCAO）的小鼠模型，以评估circ_TRIM46对缺血性脑损伤的保护作用。通过电化学传感器实时监测治疗过程中的生物标志物变化，为治疗效果评估提供依据。体外实验表明，circ_TRIM46可显著提高经OGD处理的BV-2细胞的存活率，并抑制凋亡和炎症反应。体内实验中，接受circ_TRIM46治疗的小鼠表现出较小的脑梗体积和更好的神经功能恢复。研究结果表明，circ_TRIM46有望成为缺血性脑损伤治疗的潜在靶点，而电化学传感器技术在检测circ_TRIM46及其相关分子的表达水平方面具有广泛的应用前景，为基于circ_TRIM46的新诊断和治疗方法的开发奠定了基础。

引言

由于人口老龄化，中国老年人口数量不断增加，慢性疾病发病率也随之上升[1]。中老年人患脑血管疾病的风险较高，随着生活方式和饮食习惯的改变，我国中风发病率逐年上升，造成了经济、社会和环境方面的严重后果[2,3]。最常见的缺血性中风类型是脑梗死，其发病率、死亡率和致残率均很高[4,5]。

当中脑血流受阻时，就会发生中风，导致突然出现的局限性或弥漫性神经功能障碍[6,7]。当脑组织缺血缺氧时，脑梗死会引起缺血性和缺氧性损伤，从而导致神经功能障碍[8]。国际上主要采用TOAST标准根据病因对患者进行分类，主要分为三种类型：小动脉阻塞、大动脉粥样硬化和心源性栓塞[9,10]。根据缺血性坏死的机制，脑梗死可分为脑血栓形成、脑栓塞和腔隙性脑梗死，其中由急性动脉阻塞或狭窄引起的脑血栓形成和脑栓塞约占急性脑梗死的80%[11]。目前治疗缺血性中风的方法有限，主要是重组组织型纤溶酶原激活剂和血管重建手术。然而，rtPA的使用存在临床局限性，甚至可能加重神经功能障碍[12]。脑缺血会在神经元中引发一系列复杂的病理生理机制，包括兴奋毒性[13]、氧化应激[14]、神经炎症[15]和细胞凋亡[16]。临床前研究表明，针对这些机制的药物具有良好的神经保护作用，但临床试验并未取得相同的结果。

尽管干细胞移植在动物模型中显示出显著疗效，但在临床实践中并未广泛应用于创伤性脑损伤的治疗[17]。除了对干细胞治疗安全性的担忧外，这可能还与对移植干细胞迁移、植入和整合到目标脑回路机制的理解不足有关[18]。移植干细胞的治疗效果可能主要依赖于可溶性细胞因子，因为只有少量干细胞在移植到神经系统后会分化为神经元。作为一种治疗神经系统疾病的新方法，骨髓间充质干细胞（BMSCs）通过释放外泌体（Exos）将多种生物活性分子传递给受体细胞[19,20]。电化学传感器在现代分析化学和临床诊断中发挥着关键作用，它们能够高效准确地检测各种生物标志物，将生化反应信号转化为可测量的电信号，从而实现灵敏和选择性的分析。在缺血性脑损伤（IBI）的诊断中，这些传感器可以识别和量化血液和脑脊液（CSF）中的关键生物标志物，如神经元特异性烯醇化酶（NSE）和S100B钙结合蛋白（S100B）。这些生物标志物与脑损伤的严重程度相关。电化学传感器能够快速精确地检测这些标志物变化，有助于早期干预和治疗调整。本研究探讨了使用先进的电化学传感器检测骨髓间充质干细胞衍生的外泌体环TRIM46（circ_TRIM46）及其相关分子在IBI中的应用。间充质干细胞和外泌体（包括circ_TRIM46）在细胞通讯和组织修复中起着重要作用。本研究旨在支持IBI的新诊断方法和治疗方法的开发。研究假设来自MSCs衍生的Exos中的TRIM46通过miR-330-3p/CXCR2网络抑制神经元凋亡并促进ERK/GSK-3β/snail通路，从而减轻神经元损伤。

部分内容摘录

骨髓间充质干细胞的收集与表征

纳米材料具有较大的比表面积和良好的电化学性能，为生物分子的固定和电子转移提供了更有效的平台。引入抗体和核酸适配体等生物材料进一步增强了电化学传感器对目标分子的特异性识别能力。通过优化传感器的设计和制造工艺，我们期望实现高灵敏度和特异性

脑组织中circRNA/mRNA-seq的分析

电化学传感器在医学检测中的应用不仅限于生物标志物的检测，还扩展到了药物筛选和疾病监测等多个领域。在药物筛选方面，电化学传感器可以快速评估药物对生物标志物水平的影响，从而加速新药的研发过程。在本研究中，我们使用电化学传感器检测了缺血性脑损伤中circ_TRIM46的表达变化

讨论

电化学传感器是一种将生化反应产生的电流信号转换为可测量电信号的装置。其基本原理基于电极与生物分子之间的电化学反应[21]。当生物分子与电极表面的识别元件（如酶、抗体、核酸适配体等）结合时，会发生电子转移，产生电流信号。通过这些信号可以定量检测生物分子

结论

在本研究中，我们使用电化学传感器检测了缺血性脑损伤中circ_TRIM46及其相关分子的表达变化，并揭示了它们通过miR-330-3p/CXCR2网络激活ERK/GSK-3β/snail通路从而发挥神经保护作用的机制。这些发现不仅为深入理解circ_TRIM46在缺血性脑损伤中的作用提供了新的视角，也为新型治疗方法的开发奠定了基础

作者贡献声明

魏一柳：撰写——原始稿件，监督。叶俊成：方法学设计，资金获取。陈伟志：撰写——审稿与编辑，资金获取。翁庚：验证，监督。吴巧怡：撰写——审稿与编辑，监督。

资助

本研究得到了福建省卫生技术项目（项目编号：2023CXA018）和福建省科技创新联合基金（项目编号：2021Y9107）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。