聚多巴胺纳米颗粒抗氧化策略对抗空间飞行诱导的神经退行性变的研究

《Small Science》：Polydopamine-Based Antioxidant Countermeasures Against Spaceflight-Induced Neurodegeneration

本文综述了聚多巴胺纳米颗粒（PDNPs）作为一种新型抗氧化剂，在对抗空间飞行环境（微重力（μg）和宇宙辐射（CR））诱导的神经元氧化应激及神经退行性变中的作用。通过国际空间站（ISS）和随机定位机（RPM）实验，结合转录组学分析，证实PDNPs能稳定关键抗氧化防御基因、线粒体功能标记物及多巴胺代谢基因表达，维持神经元稳态，为长期太空任务中的神经保护及地球上的氧化应激相关神经病变治疗提供了新策略。

纳米颗粒表征

扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析显示，聚多巴胺纳米颗粒（PDNPs）呈球形形态，平均直径为102.5±12.6纳米。动态光散射（DLS）测量证实其流体动力学直径（D_h）为126.8±13.4纳米，多分散指数（PDI）为0.07±0.09，ζ电位为-33.7±0.9毫伏。PDNPs在分化培养基中表现出高稳定性，其抗氧化能力经Trolox当量评估证实，1微克/毫升PDNPs相当于69.77±0.60微摩尔的Trolox活性。

纳米颗粒-细胞相互作用评估

细胞活性评估显示，PDNPs在0至200微克/毫升浓度范围内处理48小时和96小时后，均未引起神经元样细胞活性的显著降低。选择20微克/毫升作为工作浓度，DiO标记的PDNPs内化实验显示时间依赖性摄取：在正常重力（1^g）下，6小时、48小时和96小时的内化率分别为3.5±0.9%、21.9±0.2%和29.4±1.0%；在模拟微重力（sμ^g）下，相应内化率略低，分别为3.0±0.8%、8.1±0.1%和16.4±0.2%。PDNPs能显著调节细胞内还原型谷胱甘肽（GSH）水平，并在叔丁基过氧化氢（TBH）诱导的氧化应激下维持GSH水平，降低胞质和线粒体活性氧（ROS）阳性细胞比例，证实其抗氧化特性。

对神经元分化和神经突生长的促进作用

通过荧光显微镜评估，PDNPs处理显著促进神经元样细胞的分化。在正常重力下，PDNPs使神经突中位长度从69.0±1.6微米增加至104.5±1.4微米，每个细胞的神经突数量从2.00±0.17增加至4.00±0.05。在模拟微重力下，PDNPs处理同样显著提升神经突长度（从64.0±1.1微米至89.5±0.98微米）和神经突数量（从2.00±0.05至3.00±0.04），表明PDNPs通过减轻氧化应激为神经元分化创造有利环境。

在轨实验

在国际空间站（ISS）上进行的PROMETEO任务中，神经元样细胞培养物在Kubik培养箱中经历真实微重力（μ^g）和宇宙辐射（CR）暴露。实验结束时，细胞保持活性和贴壁状态。地面控制实验使用随机定位机（RPM）模拟微重力（sμ^g），同样获得可行培养物。

RNA提取和新一代测序

RNA提取和质量评估后，转录组学分析揭示不同实验条件下差异表达基因（DEGs）。PDNPs单独处理（H vs. G）导致332个基因差异表达，而在空间飞行条件下（B vs. A）差异表达基因达1,654个。暴露于微重力和宇宙辐射联合作用（A vs. G）引起1,472个基因差异表达，微重力单独（A vs. C）和宇宙辐射单独（C vs. G）分别导致2,838和3,702个基因差异表达。基因本体（GO）富集分析显示，空间应激源显著影响氧化应激、线粒体完整性和多巴胺代谢相关通路，而PDNPs处理能逆转这些变化，发挥神经保护作用。

讨论

空间环境对中枢神经系统（CNS）的影响复杂，微重力和宇宙辐射协同诱导氧化应激，导致神经元功能障碍和退行性变。PDNPs作为一种生物可降解的纳米抗氧化剂，通过其类儿茶酚化学结构模拟神经黑色素，清除活性氧，维持细胞内氧化还原平衡。实验证实PDNPs在真实空间飞行条件下能有效缓解转录组变化，保护神经元稳态。其促进神经突生长和调节多巴胺代谢的能力，进一步支持其在神经退行性疾病（如帕金森病）治疗中的潜在应用。本研究首次在真实空间飞行中评估PDNPs的神经保护功效，为宇航员健康长期任务和地球相关疾病治疗提供新见解。