《Advanced Healthcare Materials》：Near-Infrared Light-Activated Polydopamine Nanoparticles Conjugated With Transferrin Peptides for Enhanced Brain Accumulation
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全球范围内神经退行性疾病发病率的上升凸显了开发能够穿越血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）的有效药物递送系统的迫切需求。研究人员在此证明，可生物降解的聚多巴胺纳米颗粒（polydopamine nanoparticles, PDA NP
全球范围内神经退行性疾病发病率的上升凸显了开发能够穿越血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）的有效药物递送系统的迫切需求。研究人员在此证明，可生物降解的聚多巴胺纳米颗粒（polydopamine nanoparticles, PDA NPs）经转铁蛋白肽（transferrin peptides, Tf）修饰后（Tf-PDA NPs），在近红外（near-infrared, NIR）激光照射激活下，可在体外和体内增加BBB对Tf-PDA NPs的通透性。在体外，与未修饰的PDA NPs相比，NIR激活的Tf-PDA NPs显著增加了脑内皮细胞单层的通透性，且未诱导细胞毒性、不损害单层完整性，也不触发巨噬细胞活化。在体内，经静脉注射Tf-PDA NPs后进行经颅NIR激光刺激，结果显示BBB通透性增强，表现为与接受裸PDA NPs的对照组相比，小鼠脑实质中Tf-PDA NPs和伊文思蓝染料的蓄积增加。总体而言，这些研究结果表明，Tf-PDA NPs代表了一种用于靶向脑部药物递送的有前景的光响应纳米载体。Tf肽偶联与PDA NPs光热性能的协同组合能够在不引发炎症的情况下实现高效的脑部蓄积，凸显了其在治疗多种神经系统疾病方面的潜力。
**论文解读：近红外光激活Tf-PDA纳米颗粒增强脑内药物递送**
**1. 研究背景与现存问题**
随着医疗技术的进步和医疗体系的完善，人类寿命不断延长，缺血性和神经退行性疾病患病率随之上升。然而，由于血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）的限制性，治疗药物向大脑的有效递送仍然是一项重大挑战，常导致临床疗效受限。事实上，针对中枢神经系统（central nervous system, CNS）的药物，尤其是针对神经退行性疾病的药物，其开发与临床转化的成功率远低于其他疾病的药物。为克服这一障碍，多种策略被探索，包括利用纳米颗粒（nanoparticles, NPs）作为药物载体。尽管已有许多NP制剂被报道用于向大脑递送药物和生物分子，但其穿越BBB的能力很大程度上取决于它们与特定BBB受体和胞吞途径的相互作用。靶向葡萄糖转运体、胰岛素受体、转铁蛋白受体（transferrin receptor, TfR）和低密度脂蛋白受体等已被证明可增强脑递送效果。除此之外，NP尺寸优化、表面修饰和仿生设计等因素也被探索用于改善脑靶向性。鉴于现有策略的局限性，迫切需要创新方法以高效地将NPs转运并蓄积于BBB之后，为神经系统疾病提供新的治疗可能。
近年来，集中超声、高渗制剂以及磁性或NIR响应NPs诱导的高热等策略被用于短暂开放BBB并增强药物和NPs进入脑内。其中，光热NPs因其非侵入性、低细胞毒性和精确空间控制而备受关注。然而，已报道的大多数光热NPs都是无机材料，如金NPs、碳纳米管、黑磷纳米片和氧化铁磁性NPs。利用完全可生物降解的有机NPs诱导高热的研究仍然不足，尤其是结合受体介导的转胞吞作用实现靶向递送的策略。此外，光热能调节或破坏BBB的潜在机制仍不完全清楚。一种提出的机制涉及轻度高热（约42°C），已证明可下调关键紧密连接蛋白Claudin-5。另一种可能的机制涉及光热治疗引发的免疫反应。NIR照射下的光热材料已被证明可调节巨噬细胞极化，特别是促进向促炎M1表型转化。这些活化的巨噬细胞可分泌TNF-α、IL-6和IFN-γ等促炎细胞因子，已知这些因子会损害BBB完整性并增加其通透性。然而，光热NPs诱导的巨噬细胞活化对BBB完整性和功能的具体影响在很大程度上仍未探索。
**2. 研究目的与主要技术方法**
本研究旨在探究近红外（near-infrared, NIR）光照射的转铁蛋白肽（transferrin peptide, Tf）修饰的聚多巴胺纳米颗粒（polydopamine nanoparticles, PDA NPs）是否能增加BBB通透性并增强其脑内蓄积。研究人员选择有机PDA NPs，因其在NIR光照射下具有强光热性能，且表面化学性质多样，易于通过Michael加成或Schiff碱反应与Tf肽功能化。研究首先对NPs的理化性质进行表征，包括粒径、表面电荷、多分散性和NIR照射下的光热行为；接着评估其生物相容性，包括细胞活力、单层通透性和跨内皮电阻（trans-endothelial electrical resistance, TEER）；然后分析NPs和NIR暴露对巨噬细胞活化的影响；最后通过体内实验验证经颅NIR光暴露后Tf-PDA NPs在脑内的蓄积情况。
**3. 主要研究结果**
*3.1 Tf-PDA NPs的制备与表征*
研究通过一步氧化聚合法合成了PDA NPs，并通过Tf肽C末端硫醇基团与NH2–PEG–maleimide（5 kDa）形成稳定硫醚键，进而与PDA NPs反应生成Tf-PDA NPs。纳米颗粒追踪分析（Nanoparticle Tracking Analysis, NTA）显示裸PDA NPs的模式尺寸为58 nm（平均66.6 ± 25.6 nm），Tf-PDA NPs为66 nm（平均85.7 ± 26.0 nm）；透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）确认了颗粒的球形形态。动态光散射分析显示功能化后流体动力学尺寸无显著变化（PDA NPs为61.2 ± 19.3 nm，Tf-PDA NPs为64.5 ± 22.2 nm），但多分散性指数从0.066增加到0.12。Zeta电位测量显示两种NPs均高度带负电（PDA NPs为?49.6 ± 2.0 mV，Tf-PDA NPs为?50.1 ± 3.3 mV）。傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）中Tf-PDA NPs出现酰胺I和酰胺II谱带，证实肽偶联成功。光热性能测试表明，在785 nm NIR激光（2 W/cm2，5 min）照射下，两种NPs均表现出浓度依赖性的温度升高（ΔT），且光热循环稳定性至少维持四次照射周期。
*3.2 Tf-PDA NPs的细胞毒性、光热性能与细胞摄取*
细胞毒性实验显示，在“wash”（去除未内化NPs）条件下，50至500 μg/mL的Tf-PDA NPs即使经NIR激活也未诱导显著细胞毒性；但在“no wash”（NPs保留在培养基中）条件下，较高浓度（200和500 μg/mL）因NIR暴露产生的高温导致细胞活力显著降低。基于此，后续体外实验选择50 μg/mL作为工作浓度。细胞摄取实验通过电感耦合等离子体质谱（Inductively-Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS）和荧光分析证实，Tf-PDA NPs在小鼠脑内皮细胞中的摄取量显著高于非靶向PDA NPs。共聚焦显微镜进一步确认了NPs的胞内定位，且TfR阻断实验表明部分摄取由转胞吞途径介导。
*3.3 Tf-PDA NPs对脑内皮细胞单层通透性的影响*
体外BBB模型（bEND.3细胞单层）特征化结果显示其对Lucifer Yellow（LY）的旁细胞通透性为1.1 × 10?3 cm·min?1，TEER约为40 Ω·cm2，并表达ZO-1和Claudin-5紧密连接蛋白。光热效应测试显示，在“wash”条件下Tf-PDA NPs（50 μg/mL）经NIR照射诱导1.7°C的温升，在“no wash”条件下为3.9°C。通透性实验表明，“wash”条件下LY通透性和TEER均未改变；而在“no wash”条件下，NIR激活的Tf-PDA NPs显著增加了NPs跨单层的转运（Cu2?水平升高），但LY通透性和TEER无显著变化，ZO-1和Claudin-5的表达和分布也未改变。这表明Tf-PDA NPs经NIR激活可通过配体驱动的活化转胞吞增强BBB通透性，而不损害旁细胞途径。重要的是，这种通透性增强仅在Tf-PDA NPs存在时观察到，裸PDA NPs无此效应。
*3.4 Tf-PDA NPs对巨噬细胞极化和细胞因子分泌的影响*
为评估光热激活的Tf-PDA NPs是否通过巨噬细胞介导的免疫应答间接损害BBB，研究分析了巨噬细胞极化状态和细胞因子分泌。以脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）作为阳性对照，LPS显著诱导M1标志物iNOS表达上调，并促进多种促炎细胞因子和趋化因子（包括RANTES、MIP-1α、MIP-1γ、MCP-1、IL-12、IL-6、IL-1α、IL-1β、TNF-α和G-CSF）的分泌。相比之下，Tf-PDA NPs（50 μg/mL）经NIR激活后，未显著诱导关键促炎基因（TNF-α、IL-6和IL-1β）或抗炎因子IL-10的表达。将处理后的巨噬细胞条件培养基应用于脑内皮细胞单层，未引起LY通透性或TEER的变化，ZO-1和Claudin-5的分布也未受影响，表明Tf-PDA NPs经NIR激活不会引发显著的巨噬细胞介导的促炎反应。
*3.5 Tf-PDA NPs的体外和体内生物相容性*
溶血实验显示Tf-PDA NPs（50和300 μg/mL）不引起小鼠红细胞溶血。小鼠和人类外周血单核细胞（peripheral blood mononuclear cells, PBMCs）暴露实验表明Tf-PDA NPs无显著细胞毒性，且不激活人淋巴细胞、NK细胞和T细胞。体内实验中，小鼠静脉注射NPs（0.5 mg/只）后立即接受780 nm NIR照射（2 W/cm2，5 min），2小时后肝功能标志物（丙氨酸转氨酶、天冬氨酸转氨酶）和尿素水平无显著改变；40靶点炎症抗体阵列未检测到全身性促炎反应。
*3.6 NPs在脑内的蓄积*
体内实验显示，经尾静脉注射Cy7标记的Tf-PDA NPs（0.5 mg/只）后立即进行经颅NIR照射（780 nm，2 W/cm2，5 min），2小时后脑内Cy7荧光强度显著高于Cy7-PDA NPs组。NIR照射使Tf-PDA NPs脑内蓄积较未照射组增加约五倍。伊文思蓝（Evans Blue）示踪实验在较低激光功率密度（0.8 W/cm2，5 min）下进行，结果显示Tf-PDA NPs注射加NIR照射的小鼠脑组织中检测到伊文思蓝外渗，而单纯激光照射未引起伊文思蓝蓄积，表明光热激活Tf-PDA NPs可诱导局部BBB开放。
**4. 总结与结论**
本研究成功合成了NIR光响应性PDA NPs和Tf-PDA NPs，验证了其在785 nm NIR光照射下的光热性能。Tf肽功能化与光热激活的结合有效调节了小鼠脑内皮细胞单层的通透性，且未诱导细胞毒性或损害屏障完整性。研究首次证明，NIR光照射下聚合物NPs产生的高热可通过配体驱动的活化转胞吞作用增强脑内皮单层的通透性。更重要的是，经NIR光激活的NPs不会在巨噬细胞中引发急性促炎反应，条件培养基也不损害脑内皮细胞单层功能，支持其生物相容性。体内实验证实，NIR照射后Tf-PDA NPs在脑内蓄积显著高于非功能化PDA NPs，且未引发全身炎症反应；Tf-PDA NPs还可实现局部BBB开放（伊文思蓝渗透增加）。综上所述，本研究证明NIR光激活的Tf-PDA NPs提供了一种非侵入性、空间可控的策略来增强BBB通透性，其兼具靶向递送能力和极低的免疫原性，凸显了其作为脑靶向治疗递送平台的应用前景。该论文发表在《Advanced Healthcare Materials》。
