一种 H?O?/酸性微环境响应型诊疗一体化纳米平台通过 MRI 引导的协同抗铁死亡作用促进脊髓损伤修复

《Acta Biomaterialia》：An H?O?/Acidic Microenvironment-Responsive Theranostic Nanoplatform Promotes Spinal Cord Injury Repair via MRI-Guided Synergistic Anti-Ferroptosis

　　

摘要

脊髓损伤（SCI）后的继发性损伤级联反应涉及复杂的病理过程，其中铁死亡与氧化应激之间的相互作用是神经修复的关键障碍。铁死亡抑制剂Ferrostatin-1（Fer-1）因其体内递送效率低和靶向性差而在临床转化中面临局限。为此，我们构建了一种基于介孔聚多巴胺（M-PDA）的治疗诊断纳米平台M-PDA@MnO?@Fer-1，旨在实现靶向药物递送和治疗过程的可视化监测。该平台的MnO?外壳在损伤部位酸性且富过氧化氢（H?O?）的微环境中发生响应性降解，这一过程不仅触发Fer-1的控释，还产生Mn2?离子作为T?加权磁共振成像（MRI）造影剂，实现病灶药物蓄积的实时追踪。体外和体内实验表明，该系统能有效靶向SCI区域，显著抑制脂质过氧化和铁死亡相关信号通路，并促进轴突和髓鞘结构的修复。行为评估和影像学分析进一步证实，经M-PDA@MnO?@Fer-1处理的 rats 表现出最显著的运动功能恢复。本研究为SCI提供了一种整合微环境响应性、靶向治疗与实时成像监测的智能纳米治疗策略。

意义声明

开发了一种用于脊髓损伤（SCI）的集成纳米平台（M-PDA@MnO?@Fer-1）。MnO?外壳在酸性/富H?O?的SCI微环境中降解，触发Fer-1释放并产生Mn2?用于T?加权MRI。该设计使用相同的MnO?组分同时实现药物释放和成像。MnO?消耗H?O?提供抗氧化效应，与Fer-1诱导的铁死亡抑制互补。MRI信号变化与纳米平台在损伤部位的蓄积相关，可实现局部药物浓度的无创评估。本工作为SCI提供了MRI引导、微环境响应的抗铁死亡整合治疗策略。

引言

脊髓损伤（SCI）是对中枢神经系统的毁灭性创伤，其全球发病率持续上升，给患者、家庭及医疗系统带来巨大的长期负担[1,2]。SCI后的神经功能障碍主要源于不可控的继发性损伤级联反应，涉及氧化应激、兴奋性毒性、非受控性炎症以及多种细胞死亡通路的复杂相互作用[[3], [4], [5], [6], [7], [8]]。目前标准的临床治疗主要依赖早期大剂量甲泼尼龙和手术减压[9]。然而，甲泼尼龙的治疗窗口极窄（损伤后8小时内），且伴随感染和胃肠道出血等严重副作用，其整体疗效仍存在争议。虽然手术可以缓解物理压迫，但无法干预已经启动的复杂生化级联反应[10]。因此，开发能够在继发性损伤中精准干预且具有增强安全性的精准疗法，是神经科学和再生医学领域需要突破的核心挑战[11,12]。

在此复杂的病理网络中，铁死亡——一种由铁依赖的脂质过氧化驱动的新型调控性细胞死亡通路——近年来已被确立为关键驱动因素[[13], [14], [15], [16]]。SCI后，损伤区域表现出显著的铁离子蓄积、内源性抗氧化轴（GPX4/GSH）的崩溃以及脂质过氧化终产物（如4-HNE、MDA）的爆发式升高[[17], [18], [19], [20]]，构成了铁死亡的标志性分子特征[[21], [22], [23]]。临床前研究明确表明，使用特定抑制剂如Ferrostatin-1（Fer-1）阻断该通路可有效保护神经元和少突胶质细胞，减轻白质损伤，并显著促进运动功能恢复[[24], [25], [26]]，确立了其作为具有重大转化潜力的治疗靶点[27]。

然而，从"有效靶点"到"临床药物"的历程被中枢神经系统递送的经典挑战所阻碍[28,29]。作为疏水性小分子，Fer-1面临三重挑战：难以有效穿透完整的血-脊髓屏障（BSCB）[30]；全身给药后，其快速代谢和广泛分布导致靶部位生物利用度极低[31]；损伤部位极端微环境（如高活性氧、丰富的蛋白酶）加速其降解和失活[32]。因此，开发能够克服生物屏障、精准递送药物并在损伤部位保护药物活性的智能载体，是实现其治疗潜力的先决条件[33,34]。

纳米医学为此瓶颈提供了潜在的解决方案[[35], [36], [37]]。介孔聚多巴胺（M-PDA）作为仿生载体，兼具高药物载药量、良好的生物相容性和固有的自由基清除能力[31,38]。它不仅能运输疏水性Fer-1，还能提供协同抗氧化效应[39,40]。然而，传统纳米递送系统如同"盲递送"，缺乏对体内药物分布和释放的实时反馈[41,42]。因此，开发"诊疗一体化"平台以可视化和控制治疗过程，对SCI等动态病理状况至关重要[43,44]。

为此，我们引入二氧化锰（MnO?）作为智能响应模块[45]。其设计巧妙地利用了SCI的病理特征：损伤部位独特的富含过氧化氢（H?O?）的酸性微环境触发MnO?降解[[46], [47], [48]]。该反应同时满足三种功能：(1) 清除H?O?以直接缓解氧化应激[49,50]；(2) 产生Mn2?作为T?加权磁共振成像（MRI）造影剂，实现药物分布的可视化[51,52]；(3) 利用其降解行为作为物理开关，精准触发M-PDA核心内Fer-1的控释[53]。

基于此，我们提出了集成诊疗策略，构建了以介孔聚多巴胺（M-PDA）为载体，整合二氧化锰（MnO?）成像模块和铁死亡抑制剂Ferrostatin-1（Fer-1）的智能纳米系统（M-PDA@MnO?@Fer-1）。该平台设计用于实现脊髓损伤（SCI）后的靶向治疗与过程可视化：在损伤区域酸性且富过氧化氢（H?O?）的微环境中，MnO?外壳发生响应性降解，这不仅触发M-PDA孔道中Fer-1的控释，还产生Mn2?作为T?加权磁共振成像（MRI）造影剂，从而实现病灶药物蓄积的实时追踪。在本研究中，我们系统表征了纳米平台的理化性质、微环境响应行为和MRI性能，并在细胞和动物模型中评估了其生物安全性、靶向能力和抗铁死亡功效。实验重点验证了平台抑制脂质过氧化、调控铁死亡相关关键蛋白表达和促进神经结构修复的能力，旨在展示其通过协同递送和成像监测增强SCI修复的潜力。本工作为整合靶向治疗与非侵入性监测的脊髓损伤纳米诊疗策略开发提供了新的见解和实验证据。

材料

多巴胺盐酸盐和1,3,5-三甲苯购自上海麦克林生化科技有限公司。普朗尼克F127购自Sigma-Aldrich。高锰酸钾购自上海申翔化学试剂有限公司。甲醇、乙醇和二甲基亚砜（DMSO）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。氨水（25%）购自广州化学试剂厂。冰醋酸（分析纯）购自

M-PDA@MnO?/Fer-1纳米粒子的制备与表征

介孔聚多巴胺（M-PDA）通过模板法，在氨水中通过多巴胺自聚合合成。高锰酸钾经超声处理还原，在M-PDA表面形成一层MnO?。随后，将溶解在DMSO中的Fer-1与溶液混合并过夜搅拌，制备M-PDA@MnO?/Fer-1纳米递送平台。透射电子显微镜（TEM）显示（图2D）成功制备了尺寸均一的M-PDA

讨论

本研究成功构建并验证了一种用于脊髓损伤治疗的刺激响应性诊疗一体化纳米平台M-PDA@MnO?/Fer-1。该设计巧妙结合了M-PDA的高效药物载药与递送能力、MnO?的微环境响应性MRI成像/调控功能以及Fer-1的铁死亡抑制活性，实现了"诊断-治疗-监测"的整合。

与传统单一治疗型纳米载体相比，该

数据与材料可用性

用于支持本研究结果的数据可从通讯作者处获取。

缩略语

HT22：小鼠海马神经元
SCI：脊髓损伤
BSCB：血-脊髓屏障
Ferrostatin-1：Fer-1
LPO：脂质过氧化
CCK-8：Cell counting kit-8
CLSM：共聚焦激光扫描显微镜
DMEM：Dulbecco改良伊格尔培养基
DMSO：二甲基亚砜
FBS：胎牛血清
GSH：谷胱甘肽
M-PDA：介孔聚多巴胺
MnO2：二氧化锰
MRI：磁共振成像
PBS：磷酸盐缓冲液
ROS：活性氧
MDA：丙二醛
SOD：超氧化物歧化酶
WB：Western Blot

资金

本研究获得了广东省自然科学基金（2024A1515010377）、广州市科技局市校（院）企联合项目（2023A03J0618）、东莞市基础研究基金（20251800400062）、东莞市基础研究基金（20251800400232）、广东省高校生物材料重点实验室开放基金及广东省医药工程技术研究中心开放基金的资助。

作者贡献

#Meng Wang、Jinpei Yang和Qun Zheng对本工作贡献相同。

作者与所属单位

a 东莞市中枢神经损伤与修复重点实验室/东莞脊髓与脊髓损伤研究所/东莞神经诊疗中心/暨南大学附属第六医院（东莞），东莞，523573，中国
Meng Wang, Jjinpei Yang, Qun Zheng, Pingping Jiao, Shuai Zheng, Yongchun Zuo, Kai Lv, Zengjin Huang, Shuangjiang Liu, Dong Ma & Genlong Jiao
b 国家重点实验室

贡献

Genlong Jiao：概念化，指导，资金获取。
Dong Ma：撰写—审阅与编辑，指导。
Meng Wang, Jinpei Yang和Qun Zheng：调查研究，方法学，撰写—原稿。
Shuai Zheng, Pingping Jiao和Zengjin Huang：资源。
Shuangjiang Liu和Yongchun Zuo：形式分析。
Kai Lv, Yongchun Zuo和Zhongyuan Cheng：数据管理，软件，验证。

通讯作者

通讯地址：Dong Ma和Genlong Jiao

伦理审批与参与同意

所有动物实验均经暨南大学实验动物伦理委员会和广东省动物护理伦理委员会批准。

伦理声明

本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究已获暨南大学实验动物伦理委员会批准。

发表同意

不适用。

利益冲突

作者声明研究过程中不存在任何可被视为潜在利益冲突的商业或财务关系。

生成式AI及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

声明：在准备本工作过程中，作者未使用任何AI工具。

CRediT作者贡献声明

Meng Wang：撰写—原稿，方法学，调查研究。
Jinpei Yang：撰写—原稿，方法学，调查研究。
Qun Zheng：撰写—原稿，方法学，调查研究。
Pingping Jiao：资源。
Shuai Zheng：资源。
Zhongyuan Cheng：验证，软件，数据管理。
Yongchun Zuo：验证，软件，形式分析，数据管理。
Kai Lv：验证，软件，数据管理。
Zengjin Huang：资源。
Shuangjiang Liu：形式分析。
Dong Ma：撰写—审阅
Meng Wang | Jinpei Yang | Qun Zheng | Pingping Jiao | Shuai Zheng | Zhongyuan Cheng | Yongchun Zuo | Kai Lv | Zengjin Huang | Shuangjiang Liu | Dong Ma | Genlong Jiao