《Biomaterials》：Ultrasound-gated nanobubbles for sequential pyroptosis blockade and mechanotransductive neurorepair in sepsis-associated encephalopathy
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摘要：脓毒症相关脑病是一种危及生命的脓毒症神经炎症并发症，目前尚无有效治疗方法。其主要难题在于大多数治疗药物无法有效穿过血脑屏障，也无法同时解决推动疾病进展的两种病理过程，即小胶质细胞的焦亡反应以及神经营养支持的缺失。在此，我们介绍一种专为脓毒症相关脑病设计的超声调控纳米气泡平台
摘要：
脓毒症相关脑病是一种危及生命的脓毒症神经炎症并发症，目前尚无有效治疗方法。其主要难题在于大多数治疗药物无法有效穿过血脑屏障，也无法同时解决推动疾病进展的两种病理过程，即小胶质细胞的焦亡反应以及神经营养支持的缺失。在此，我们介绍一种专为脓毒症相关脑病设计的超声调控纳米气泡平台，该平台可依次实现焦亡反应的阻断与通过机械转导实现的神经修复。该平台由鞘磷脂-1-磷酸功能化的、负载双硫仑的纳米气泡组成，这类纳米气泡可通过S1P–S1PR1轴主动聚集在发炎的脑血管中，作为超声调控干预的局部载体。在双重超声作用下，低强度脉冲超声首先引发纳米气泡的稳定振荡，通过激活小胶质细胞中的Piezo1依赖性CREB–BDNF信号通路来恢复神经营养支持；随后高强度脉冲超声则使纳米气泡不稳定并释放双硫仑，从而抑制气道蛋白酶D活性，阻止焦亡反应，并减轻炎症反应的加剧。在鼠类脓毒症相关脑病模型中，这种超声调控的S1P@DSF-NBs可降低全身及海马区的炎症程度，使神经元损失减少40%，同时使认知功能提升2.24倍，还能重新调整小胶质细胞的表型，使其具有神经保护作用，进而打破焦亡相关的炎症级联反应。这些研究结果表明，超声调控的纳米气泡疗法能够同时中断炎症损伤并恢复脓毒症相关脑病中的神经保护信号传导。这项工作为脓毒症相关脑病的超声调控干预提供了一种具有靶向性的、对超声响应的生物材料策略，也为其他神经炎症性疾病的治疗提供了新的思路。
引言
脓毒症相关脑病是全身感染最严重的并发症之一，约有9%至71%的脓毒症患者会出现此病症，而在重症病例中，其导致的死亡率超过50%[1]、[2]、[3]、[4]。这种急性脑功能障碍是由于血脑屏障被破坏，使得IL-1β、IL-6、TNF-α和HMGB1等促炎因子得以侵入中枢神经系统[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。在脑组织中，这些细胞因子会引发小胶质细胞的焦亡反应，这是一种由气道蛋白酶D介导的、具有炎症特征的程序性细胞死亡[11]、[12]、[13]。这一过程会释放出大量额外的细胞因子和损伤相关分子模式，形成自我持续的神经炎症循环，同时还会消耗神经营养支持，尤其是脑源性神经营养因子。这样的环境会导致突触功能紊乱、神经元死亡以及长期的认知缺陷[14]、[15]、[16]。尽管重症监护技术取得了进步，但目前仍没有疗法能够直接打破这种“炎症-神经毒性”恶性循环，使得幸存者面临永久性神经功能障碍的高风险。
目前脓毒症相关脑病的临床治疗效果极为有限。传统的抗菌药物虽然能针对病原体，但无法缓解由小胶质细胞引发的神经炎症[17]、[18]，也无法逆转小胶质细胞向神经毒性表型的转变[19]、[20]、[21]。而像双硫仑这类用于抑制焦亡反应的药物，作为一种能够选择性作用于气道蛋白酶D的Cys191/Cys192位点的共价抑制剂，在临床前研究中展现出良好的前景[22]、[23]、[24]、[25]。然而，由于这类药物的药代动力学特性不佳——在体内清除速度过快，水溶性差导致几乎无法穿透血脑屏障，且缺乏组织特异性，容易产生非靶标效应，因此难以将其应用于临床[26]、[27]、[28]、[29]。因此，迫切需要一些综合性的策略，既能克服这些给药难题，又能同时调节脓毒症相关脑病的两大病理机制：过度发生的焦亡反应以及不足的神经营养支持。
新兴的生物工程方法为干预脓毒症相关脑病提供了新的途径。低强度脉冲超声是一种非侵入性技术，可通过激活Piezo1等机械敏感离子通道来调节小胶质细胞的表型并抑制神经炎症[30]。值得注意的是，仅使用低强度脉冲超声就能刺激机体自身产生脑源性神经营养因子，从而营造有利于神经修复的微环境[32]。
为此，我们设计了一种诊疗合一的气泡递送平台，将靶向药物作用与可编程的物理神经调控相结合。该平台由鞘磷脂-1-磷酸功能化、负载双硫仑的纳米气泡构成。这类纳米气泡可以利用发炎的脑血管内皮细胞和小胶质细胞上S1P受体1的上调作用，实现精准的脑部定位输送（见图1a）。该平台可通过两种超声响应模式发挥作用：低强度脉冲超声可引发纳米气泡的稳定振荡，通过Piezo1介导的机械转导作用激活小胶质细胞中的CREB–BDNF神经保护通路（见图1b）；当纳米气泡被细胞摄取后，高强度脉冲超声则会促使纳米气泡不稳定，从而按需释放双硫仑，抑制气道蛋白酶D的活性，进而阻止焦亡反应的发生（见图1c）。这种“先机械刺激促进修复，再触发药物释放实现抑制”的超声调控策略，能够同时打破炎症级联反应并恢复神经营养支持。在鼠类脓毒症相关脑病模型中，超声激活的S1P@DSF-NBs显著降低了全身及海马区的炎症程度，减少了小胶质细胞的活化及神经元死亡，同时还恢复了动物的认知和运动功能。通过将主动靶向、机械生物学原理以及刺激响应型药物释放功能整合到同一个平台上，我们的研究为脓毒症相关脑病以及其他神经炎症性疾病的超声调控治疗开辟了新的生物医学工程思路。
章节节选
化学试剂
1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷胆碱（DPPC）、1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷乙醇胺N-[甲氧基聚乙二醇]-2000（DSPE-mPEG2000）、(2S, 3R, 4E)-2-氨基-4-十八烯-1,3-二醇1-磷酸（鞘磷脂-1-磷酸，S1P）、四乙基硫代二酰胺（DSF）以及脂多糖（LPS）均购自美国Sigma-Aldrich公司。3,3′-二十八烷基氧碳菁高氯酸盐（DiO）、1,1′-二十八烷基3,3,3′,3′-四甲基吲哚三碳菁碘化物（DiR）等试剂也由该公司提供。
超声响应型S1P@DSF-NBs的制备与表征
由胆碱和聚乙二醇修饰的磷脂构成的脂质基纳米气泡具有良好的生物相容性[33]。在本研究中，这类混合纳米气泡是通过将含有DPPC、DSPE-PEG2000、鞘磷脂-1-磷酸（作为靶向配体）以及双硫仑（作为治疗药物）的脂质混合物进行薄膜水合处理，然后再充入六氟化硫气体而制得的，最终得到了鞘磷脂-1-磷酸功能化、负载双硫仑的纳米气泡（S1P@DSF-NBs；见图2a）。
结论
神经炎症在脓毒症相关脑病的发病机制中起着核心作用，过度的焦亡反应以及神经修复功能的受损会进一步加重神经元损伤和功能缺陷。各类脓毒症相关脑病的临床前模型均显示出血脑屏障功能紊乱以及炎症通路活性升高的现象，这表明，若能开发出具有靶向性且能对特定刺激作出响应的生物材料平台，就有可能通过超声调控来抑制神经炎症，同时促进神经组织的修复。
在此，我们报告了...
CRediT作者贡献说明
李明希：方法学设计、实验研究。刘阳：论文撰写与修改、方法学设计、实验研究。徐慧婷：方法学设计、实验研究。杨芳：论文撰写与修改、初稿撰写、研究验证、项目监督、项目管理、实验研究、资金申请、概念构思。刘玲：项目监督、方法学设计。崔刘：方法学设计、实验研究。 Ju永旭：方法学设计、实验研究。王晓：论文撰写与修改、初稿撰写。
利益冲突声明
所有作者均声明不存在任何可能影响本研究结果的竞争性利益或个人关系。
数据可用性声明
本文中所需要的所有数据均包含在论文正文中。如有需要，相关补充数据可向通讯作者提出合理请求后获取。
利益冲突声明
? 所有作者均声明不存在任何已知的、可能影响本研究结果的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：32571595、32401258）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20222002）以及江苏省333项目的资助。
Xiao Wang|Yang Liu|Mingxi Li|Huiting Xu|Yongxu Ju|Lin Cui|Ling Liu|Fang Yang
中国江苏省南京市东南大学生物科学与医学工程学院数字医学工程国家重点实验室，邮编210096
