ROS分期响应性纳米粒子的构建及其在脊髓损伤抗氧化治疗中的应用

Spinal cord injury (SCI) can cause severe neurological deficits and permanent disability of patients. Accumulating evidence suggests that the overproduced reactive oxygen species (ROS) in post-traumatic spinal cord can result in significant secondary damage in spinal cord. Therefore, antioxidant-based intervention against ROS is expected to be an effective strategy for treatment of SCI. However, the traditional antioxidants need to be administered with high dosage due to the short half-life and poor targeting, which may lead to serious side effects. To address this issue, we intend to design and prepare a ROS-responsive methylprednisolone-loaded nanoparticle, and its use and mechanism for staged antioxidative treatment of SCI will be systematically investigated. The core of the nanoparticle is a polymer contained two ROS-responsive groups, i.e., phenylboronic acid and thiolether. At early-stage, the rapid scavenging of accumulated ROS in the injury site by the phenylboronic acid gourps and the ROS-triggered release of MP can lead to a synergetic antioxidative effect; and then, at later-stage, the ROS in the injury site will be continuously scavenged by the thiolether groups in the polymer backbone. Therefore, a staged antioxidative treatment of SCI can be readily achieved by using this dually ROS-responsive nanoparticle. Additionally, a hemorrhage site-targeted ROS-responsive nanoparticle will also be fabricated by conjugating A15 peptide onto the nanoparticle, and systematically evaluated for targeted antioxidative treatment of SCI. Overall, this project is aiming to provide a new strategy for safe and effective treatment of SCI.

脊髓损伤（SCI）可引起患者严重的神经功能障碍或永久性残疾。研究表明活性氧簇（ROS）在损伤后脊髓中大量形成，可使损伤范围扩大、程度加深。因此，针对ROS的抗氧化干预已成为治疗SCI的一种有效策略。然而，传统的抗氧化药物由于半衰期短、靶向性差，使得给药剂量严重偏高，易引起严重的毒副作用。为此，本项目拟设计一种担载有抗氧化药物甲强龙且具有ROS响应特点的纳米粒子，并系统研究其对SCI的分期抗氧化治疗作用和机理。构成该纳米粒子内核的聚合物含有苯硼酸和硫醚两种ROS响应性基团，能够实现在治疗前期，苯硼酸基团响应性降解起到快速清除损伤部位ROS并引起快速甲强龙释放的作用，实现协同抗氧化治疗；在治疗后期，硫醚基团持续消耗损伤部位产生的ROS，从而达到分期治疗SCI的目的。进一步，本项目还将构建具有出血部位靶向的纳米粒子，系统评价其对SCI的靶向治疗作用，期望为SCI的治疗提供一种安全高效的新策略。

急性脊髓损伤（SCI）后，过量活性氧簇（ROS）在损伤区域呈多源性和持续性产生，使损伤范围扩大、程度加深，进而引发大量神经元丧失和严重神经功能障碍（即继发性损伤）。针对ROS的抗氧化干预已成为治疗SCI的一种有效策略。然而，传统的抗氧化药物由于半衰期短、靶向性差，使得给药剂量严重偏高，易引起严重的毒副作用并制约治疗效果。因此，如何有效地将抗氧化药物进行高效靶向传输，以及如何构建新型抗氧化纳米治疗体系，是提升SCI抗氧化干预治疗效果的关键所在。根据SCI微环境和病理生理特点，我们设计并制备了多种具有ROS响应的甲强龙前药和聚合物体系，并通过结构优化获得了多种具有分期响应性能的纳米载药体系和系列具有高效抗氧化性能“无载药”纳米药物，实现了清除损伤部位过量ROS和减轻继发性SCI的治疗目的。具体研究成果如下：（1）制备了多种具有ROS响应的甲强龙前药和聚合物体系，包括：含苯硼酸和硫醚基团的ROS响应性聚合物（PBT），含高密度硫醚基团的ROS响应性聚合物（PMT），以及ROS响应性甲强龙（MP）前药（TK-MP）。该体系不仅能够清除ROS，而且显著提升携载及控释治疗药物的能力。（2）构建了多种具有分期响应性能的纳米载药体系，包括：ROS分期响应性纳米粒子（PBTN），ROS响应性脂质聚合物纳米粒子（PELPNPs）和刺激响应性纳米粒子（MC-PαLA-MP）等。该体系不仅可以携载治疗药物，而且能够实现分期响应性药物控制释放，契合临床继发性SCI分期治疗的理念，从而获得更好的SCI治疗效果，并有助于研究成果的临床转化。（3）设计并构建了多种具有高效抗氧化性能“无载药”纳米粒子， 包括：具有清除ROS性能的硒掺杂碳量子点（Se-CQDs），兼具清除ROS和靶向性能的透明质酸-硒（HA-Se)纳米粒子，以及表没食子儿茶素没食子酸酯-硒（EGCG-Se）纳米粒子。这些纳米粒子材料本身不仅能够高效清除ROS，而且通过靶向化设计提升其在损伤部位的蓄积能力，实现了靶向化和精准化治疗SCI目的。综上，在本项目的资助下，围绕着SCI的病理生理特征，我们探索制备了系列具有损伤微环境刺激响应性能的纳米材料，实现了清除损伤部位ROS和减轻继发性SCI的治疗目的，从而为SCI治疗提供新的思路和有益参考。本项目完成了预期的研究任务，共发表学术论文6篇，培养博士研究生4名。