N-乙酰半胱氨酸修饰纳米颗粒减轻SPION过负荷心肌损伤的实验研究

Superparamagnetic iron oxide nanoparticle (SPION) has a great potential in the fields of molecular imaging and targeted therapy for ischemic heart diseases. Although studies showed that intravenous administration of SPION is relatively safe, but it remains unclear whether it is safe when local amplication in the ischemic myocardium. Our previous studies found that local injection of SPION labeled stem cells in ischemic myocardium may result in long-term and large-number iron accumulation, subsequently causing myocardial chronic iron overload. In vitro experiment suggested that SPION significantly increase the oxidative stress level of cardiomyocytes cultured in a hypoxia environment, strongly suggesting that SPION can aggravate the injury of ischemic myocardia via oxidative stress mechanism. N-Acetylcysteine (NAC) is a prodrug for L-cysteine, which is used for the intention of allowing more glutathione to be produced when it would normally be depleted. Through glutathione buffering, NAC has been proven to be an effective antioxidant. Therefore, we speculate that SPION modified with NAC is expected to reduce the SPION mediated oxidative stress injury in ischemic myocardia. This project aims to clarify the mechanism and the effect of SPION on the negative remodeling of ischemic heart, and further to observe the inhibitory effect of NAC on SPION mediated oxidative stress. This study will promote the clinical translation of SPION in a safer way.

超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPION）在缺血性心脏病的分子显像和靶向治疗领域极具应用潜力。尽管SPION静脉给药相对安全，但心肌内应用缺乏研究。项目组前期研究发现，SPION标记干细胞缺血心肌内移植后引起局部心肌慢性铁负荷过重；体外预实验显示SPION显著增加缺氧心肌细胞的氧化应激水平，强烈提示SPION介导氧化应激可引起缺血心肌的次生性损伤。N-乙酰半胱氨酸（NAC）具有明确的抗氧化作用，而且SPION易于表面修饰，因而设想NAC负载SPION可减轻后者介导的氧化应激损伤。本项目拟在分析SPION对缺氧心肌细胞氧化应激和生物学特性影响的基础上，揭示SPION缺血心肌定向注射对左室重构的作用及其机制；通过表面改性和共价键法构建NAC负载SPION，评价 NAC对SPION介导心肌损伤的止损性作用。项目旨在改善SPION与缺血心肌的生物相容性，促进其临床转化。

超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPION）在心血管疾病诊断与治疗领域具有广阔的应用前景和巨大的临床转化潜力。良好的生物相容性和安全性是生物材料临床转化的前提。以前的研究证实，SPION具有时间和浓度依赖的细胞毒性，我们在预实验中发现，SPION针对缺血心肌应用后可能导致缺血心肌慢性铁负荷过重，通过增加氧化应激水平加剧缺血心肌负性重构。为了既保留SPION超顺磁性，又尽量减轻其氧化应激毒性，我们构建了磁性介孔二氧化硅（M-MSN）负载抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸(NAC)纳米颗粒（M-MSN@NAC），通过体外及在体实验验证SPION对缺血心肌的毒性及抗氧化M-MSN@NAC颗粒能否改善SPION 的生物相容性。. 主要研究内容包括构建抗氧化M-MSN@NAC纳米颗粒；开展磁性氧化铁纳米颗粒（MNP）、M-MSN与M-MSN@NAC的体外细胞毒性研究；开展MNP和M-MSN引起缺血心肌负性重构的机制及M-MSN@NAC的止损性研究。体外研究结果显示，与对照组（缺氧复氧心肌细胞）相比，MNP和M-MSN组（缺氧复氧心肌细胞与MNP或M-MSN共培养24h）导致缺氧复氧心肌细胞的氧化与抗氧化失衡，表现为细胞内活性氧簇（ROS）显著增加（P<0.0001），过氧化产物MDA 、8-iso-PGF2α、8-OHDG水平显著升高（P<0.05），抗氧化酶系统（SOD、CAT、GSH-Px）及非酶类抗氧化剂（GSH）水平显著降低(P<0.05)，进而诱导心肌细胞LDH显著增高（P<0.0001）和线粒体膜电位（MMP）的显著丢失（P<0.0001）,而M-MSN@NAC组与对照组无显著差别，提示其可通过释放抗氧化剂NAC减轻氧化铁引起的氧化应激损伤。动物实验进一步证实，与对照组相比，MNP和M-MSN组可引起缺血心肌慢性铁负荷过重，加重缺血心肌氧化应激损伤，过度激活内质网应激和自噬，进而导致缺血心肌负性重构和心功能恶化，而M-MSN@NAC可显著减轻氧化应激损伤，提示M-MSN@NAC因其抗氧化特性可显著改善磁性氧化铁纳米颗粒的生物相容性。. 本项目立足于磁性纳米颗粒在心脏病领域应用的最前沿，不仅致力于充分认识SPION诱导心肌毒性反应的机制，而且为改善SPION与心肌的生物相容性提供针对性防治措施，对于促进SPION在心血管领域的临床转化具有重大的理论意义和现实意义。