中性粒细胞介导的BDNF递送治疗中重度阿尔茨海默病

《Acta Pharmaceutica Sinica B》：Neutrophil mediated BDNF delivery for the treatment of moderate to severe Alzheimer’s disease

　　

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD），尤其是其中重度阶段（moderate-to-severe stage, MSAD），仍然是一个全球性的健康挑战，尚无疾病修饰疗法。在此，研究人员在MSAD患者和小鼠模型中识别出一种双重病理特征：系统性促炎微环境以及海马体和血清中脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）水平的严重降低。为缓解BDNF的减少，研究人员开发了一种工程化中性粒细胞囊泡，其中携带封装BDNF的脂质纳米颗粒（lipid nanoparticles, LNP）的中性粒细胞穿透大脑并改善了MSAD小鼠的认知能力缺陷。MSAD大脑中的促炎状态促进了中性粒细胞通过血脑屏障（blood–brain barrier, BBB），而炎症介质触发了工程化中性粒细胞释放BDNF。总的来说，研究人员的发现表明，工程化中性粒细胞介导的BDNF脑递送能有效减少海马体中淀粉样蛋白-β（amyloid-β, Aβ）斑块沉积，从而显著改善MSAD小鼠的学习和记忆能力。这项研究将中性粒细胞介导的递送确立为MSAD的范式策略，融合细胞生物学与纳米技术以逆转神经退行性变。

**论文解读：中性粒细胞介导的BDNF递送治疗中重度阿尔茨海默病**

**研究背景与问题**
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是一种进行性神经退行性疾病，全球超5000万人受累，预计2050年将超过1.5亿。目前药物如乙酰胆碱酯酶抑制剂和N-甲基-D-天冬氨酸受体拮抗剂仅短暂缓解症状，无法阻止病程。约40%–60%的AD患者进展至中重度阶段（moderate-to-severe stage, MSAD），占长期护理居民的65%以上，给社会和经济带来沉重负担。近期突破性药物如抗淀粉样蛋白-β（amyloid-β, Aβ）单克隆抗体Lecanemab对轻度AD有效，但对MSAD无效，亟需针对MSAD病理的疾病修饰疗法。

脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）是AD的潜在治疗靶点，但关键空白在于：BDNF水平在MSAD阶段的轨迹及其阶段特异性神经保护作用尚未被系统研究。临床前研究显示外源性BDNF可挽救Aβ诱导的认知缺陷，但临床转化面临半衰期短（<1小时）、血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）渗透性极低、酶快速降解等药理学障碍。传统递送策略如脑内输注、病毒载体、生物材料支架存在侵入性、免疫原性或时空控制差等问题。因此，亟需一种微创、可穿透BBB且能持续提供神经营养支持的平台，尤其针对研究不足的MSAD人群。

中性粒细胞（neutrophil, NE）作为最丰富的循环白细胞（50%–70%），可通过趋化因子受体介导的跨膜迁移天然绕过BBB，这一过程在神经炎症微环境中被放大。然而，MSAD中神经炎症是否持续存在及其治疗潜力尚需验证。为应对上述挑战，研究人员开发了一种工程化NE囊泡，用于靶向递送BDNF至MSAD大脑。

**研究内容与结论**
研究人员首先在MSAD患者和小鼠模型中识别出双重病理标志：系统性炎症与海马体及血清中BDNF水平严重降低。为弥补神经营养因子缺乏，他们设计了封装BDNF的脂质纳米颗粒（LNP@BDNF），并由中性粒细胞吞噬形成细胞治疗剂（NE-LNP@BDNF）。这些工程化NE选择性迁移至炎症AD大脑，在炎症触发下脱颗粒释放BDNF，恢复神经元功能。该研究建立了NE介导的递送作为MSAD的变革性策略，结合纳米技术与先天免疫细胞生物学，克服BBB障碍并逆转神经退行性变。该研究论文发表在《Acta Pharmaceutica Sinica B》。

**关键技术方法**
研究人员主要利用了以下方法：
1. **转录组数据分析**：从公共数据库GSE48350获取MSAD患者（n=16）、年龄匹配对照组（n=23）和年轻对照组（n=22）的四个脑区基因表达谱，筛选差异表达基因。
2. **临床队列建立**：在西华医院伦理批准下招募60–99岁志愿者，包括轻度AD患者41名、MSAD患者44名及年龄匹配对照42名，收集血清并进行多指标分析。
3. **小鼠模型**：使用18月龄APP/PS1双转基因雄性小鼠作为MSAD模型，评估认知行为及病理变化。
4. **纳米颗粒制备与工程化**：通过微流控技术制备LNP@BDNF，与骨髓来源或人外周血中性粒细胞共孵育构建NE-LNP@BDNF。
5. **体外与体内评估**：采用Transwell体外BBB模型、三维脑类器官（源自人诱导多能干细胞）、体内荧光成像、PET/CT、RNA测序及免疫荧光等技术验证递送效率、疗效和安全性。

**研究结果**

**3.1 MSAD患者中的炎症细胞因子和神经营养因子**
通过分析GSE48350数据集，发现MSAD患者海马体中炎症因子（IL-5、IL-11、IL-15）和炎症小体（NLRP3、NLRP7）基因显著上调，而BDNF显著下调（log₂FC = -1.80, P-adj. = 0.0184），而NGF、GDNF未改变。临床队列血清分析显示，MSAD患者TNF-α、IL-6、CXCL10水平升高，BDNF、NGF、GDNF降低，且BDNF与促炎因子呈强负相关，表明MSAD中外周炎症与BDNF缺乏共存。

**3.2 MSAD小鼠中的炎症细胞因子和神经营养因子**
在18月龄APP/PS1小鼠（MSAD模型）中，海马体和前额叶皮层促炎因子IL-1β、IL-6升高，抗炎因子IL-10降低，BDNF显著低于年龄匹配野生型小鼠和轻度AD小鼠，而GDNF和NGF无显著变化，证实了MSAD小鼠的促炎环境与BDNF缺乏。

**3.3 工程化中性粒细胞的设计与功能验证**
通过微流控制备LNP@BDNF（粒径89.54 ± 2.12 nm，包封率85.32 ± 3.10%），与骨髓中性粒细胞共孵育后，细胞摄取效率高且形态完整。工程化NE（NE-LNP@BDNF）保留促炎响应功能：CD11b表达上调、趋化迁移能力增强、超氧化物生成能力正常。在炎症刺激（PMA）下，BDNF在8小时内释放约80%，而生理条件下泄漏很少。在Aβ₄₂诱导的SH-SY5Y细胞毒性模型中，NE-LNP@BDNF显著提高细胞存活率，证实递送的BDNF具有生物活性。

**3.4 炎症导向的工程化中性粒细胞递送**
体外BBB模型显示，在炎症刺激（WKYMVm）下，NE-LNP@BDNF的跨内皮转运增加17.4倍（基底侧递送54.30 ± 1.38%），而游离BDNF和LNP@BDNF无显著增加。体内成像表明，静脉注射NE-LNP@BDNF后，脑部荧光在8小时达峰，可持续5天，脑部荧光强度分别是LNP@BDNF和游离BDNF的25.8倍和22.4倍，且主要分布于海马体和皮层，靠近Aβ斑块。在三维脑类器官中，人源性NE-LNP@BDNF渗透深度超过200 μm，而游离BDNF和LNP@BDNF仅停留在20–50 μm表面。

**3.5 工程化中性粒细胞的治疗效果**
在18月龄MSAD小鼠中，每周一次静脉注射NE-LNP@BDNF（0.25 mg BDNF/kg，共4周）显著改善巢穴构建评分、新物体识别偏好指数和Morris水迷宫目标象限停留时间，而游离BDNF和LNP@BDNF效果有限。PET/CT显示NE-LNP@BDNF治疗降低了海马体Aβ斑块沉积（标准化摄取值比SUVR下降）。RNA测序揭示海马体及前额叶皮层中PI3K/Akt/CREB信号通路被激活，免疫荧光和Western blot证实BDNF蛋白升高、Aβ斑块减少、突触密度（Synapsin I）增加，且未加重神经炎症（IL-6下降19.4%）。

**3.6 工程化中性粒细胞的神经毒性与系统生物安全性**
在42天三维脑类器官中，四次hNE-LNP@BDNF处理后转录组分析显示极少差异基因，无神经毒性通路富集，且淀粉样前体蛋白（APP）表达下降。在老年野生型小鼠中，每周一次静脉注射连续4周后，肝肾功能指标和组织病理学均未见异常。

**讨论与结论**
讨论部分指出，MSAD的促炎微环境可被利用为生物导航系统：炎症介质（IL-6、IL-1β）作为NE趋化因子，引导其穿越BBB并迁移至Aβ富集区；炎症触发NE释放BDNF，实现局部按需递送，避免了传统方法（如脑内注射、病毒载体）的侵入性和免疫原性。海马体Aβ斑块减少和认知功能恢复证实了治疗潜力，且NE-LNP@BDNF未加重神经炎症，反而下调促炎因子（如IL-6），实现神经营养支持与免疫调节的双重作用。三维脑类器官平台证实了人源NE的递送能力，支持临床转化前景。该平台的优势包括自体供体来源、模块化LNP设计、中性粒细胞短暂寿命限制毒性。局限性包括：需优化临床级分离和装载方案、脑类器官缺乏血管系统、患者炎症异质性需生物标志物分层。

结论部分翻译如下：
**结论**：总之，这项研究将工程化中性粒细胞确立为MSAD治疗的多功能且临床可行的策略。通过利用人体先天免疫细胞作为活体药物载体，研究人员弥合了系统性递送与脑靶向之间的鸿沟，为神经退行性疾病治疗提供了范式转变。随着全球老年人口MSAD发病率上升，该策略提供了一种及时且可扩展的解决方案，符合对无创、高效、个性化和以患者为中心的疗法的迫切需求。