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Advanced Science | 浙江大学张文斌/李洪军/复旦大学葛均波开发新的纳米颗粒,促进心脏修复和再生

发布时间:2024-05-20 09:46

本文转自iMedicines


间充质干细胞来源的细胞外囊泡(MSC-EV)被证明可以促进心脏修复,但其在诱导心肌细胞再增殖方面仍缺乏一定疗效。ROS诱导的DNA损伤和损失反应是细胞周期停滞的罪魁祸首。

2023年6月6日,浙江大学张文斌、李洪军及复旦大学葛均波共同通讯在Advanced Science 在线发表题为“Biomimetic and NOS-Responsive Nanomotor Deeply Delivery a Combination of MSC-EV and Mitochondrial ROS Scavenger and Promote Heart Repair and Regeneration”的研究论文,该研究构建了一个由MSC和巨噬细胞膜来源的混合细胞外囊泡,并包含ROS清除剂MitoN,以促进心脏的愈合。MitoN是一种NAD(P)H模拟物,可以靶向线粒体以消除ROS,恢复停滞的细胞周期。杂交细胞外囊泡(N@MEV)可以对心肌损伤期间产生的炎症信号做出反应,从而使损伤部位具有更好的靶向性和富集性。

L-精氨酸可被一氧化氮合酶和ROS催化成NO以提供驱动力,并被固定在囊泡内(NA@MEV),进一步增强N@MEV穿透心脏基质的潜力。在多种机制的结合下,小鼠心肌损伤模型中与MSC-EV相比,NA@MEV使心脏功能增加1.3倍EF%。深入研究发现,NA@MEV可以调节M2巨噬细胞,促进血管生成,减少DNA损伤和反应,从而重新启动心肌细胞增殖。因此,这一联合疗法在心脏修复和再生方面表现出显著的综合治疗效果。

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心肌梗死(MI)和缺血再灌注损伤(I/R)是导致心力衰竭发生的高危因素。为重建由永久性细胞死亡引起的功能丧失,相关学者已经广泛研究了间充质干细胞来源的细胞外囊泡(MSC-EV),并确定了其在心肌细胞保护、免疫调节和血管生成方面的有效性。然而,由于多个实验室的结果不一且相互矛盾,心脏再生的效果验证受到了严格审查。此外,由于低归巢效率的重大阻碍,治疗结果未能有效地靶向和修复受影响的心脏区域,使相关疗法未能成功转化为临床实践。
哺乳动物心肌细胞在出生时和缺血发作期间失去增殖能力,这与由线粒体氧化代谢产生的活性氧(ROS)触发氧化损伤所导致的细胞周期停滞有关。心肌细胞经历突然的DNA损伤和DNA损伤相关反应(DDR)激活,会导致细胞周期停滞。减少线粒体引起的氧化损伤可延长新生儿心肌细胞再生并重新诱导成人心肌细胞增殖。同时,线粒体功能障碍由ROS诱导的脂质过氧化、线粒体DNA损伤和氧化磷酸化解偶联引起,通过反馈机制有助于ROS的形成。鉴于成人心脏的高能量消耗,该研究假设干细胞-EV协同线粒体靶向ROS清除应该是一种可行策略,在不干扰能量产生的情况下促进心肌细胞增殖和组织修复。
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NA@MEV的制备及治疗效果示意图(摘自Advanced Science 
N-取代芳香环是内源性抗氧化剂NAD(P)H/NAD(P)+结构的关键部分,其通过氧化反应生成NAD(P)+1,4-二氢吡啶是一类具有该结构并具有强效ROS清除能力的Ca2+拮抗剂,但如果没有靶向化合物,其无法大量溶解并积累到线粒体。该研究将二氢烟酰胺与三苯基膦(TPP)偶联,合成了一种NAD(P)H模拟物(MitoN),以驱动线粒体基质并清除ROS。MitoN减少了线粒体中ROS的积累和相关DNA损伤,是心肌细胞细胞周期发生的关键。与MSC-EV协同使用时,心肌细胞增殖效率显著提高。此外,将巨噬细胞来源的细胞膜与MSC-EV融合,通过响应炎症信号将仿生复合物靶向递送到缺血损伤组织中。为使巨噬细胞仿生MSC-EV更深入地渗透到受损心脏组织中,胆固醇结合的精氨酸被掺入仿生MSC-EV中,从而制备了一种仿生和一氧化氮合酶(NOS)响应的纳米马达,可以响应高水平和空间分布的NOS和ROS。通过催化精氨酸生成NO,该纳米马达提供了穿透受伤心脏内更深层组织的必要驱动力。
该研究探索了NA@MEV在心脏修复和再生方面的作用。结果表明,这一联合治疗方式具有免疫调节、促血管生成和线粒体保护的协同作用效果。值得注意的是,与MSC-EV单药治疗相比,MitoN和MSC-EV联合使用能够减轻线粒体ROS诱导的DNA损伤和DDR,从而增强心肌细胞周期的再激活和增殖。巨噬细胞仿生和NOS响应的纳米马达递送系统将MitoN协同的MSC-EV递送到缺血损伤的心脏部位,且NA@MEV纳米马达在心脏组织的深层积累最多(MSC-EV的2.6倍,MEV的1.3倍),显著促进心肌细胞周期再激活和增殖,改善心脏功能。

参考消息:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202301440

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