ACS Nano | 哈工大研发新型纳米粒子，利用生物钟优化心肌缺血再灌注损伤治疗

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Highlights

 

1. 纳米粒子治疗心肌缺血再灌注损伤的效果与昼夜节律密切相关。

 

 

2. 新型纳米粒子通过特定肽段实现对心肌损伤区域的精准定位，提高治疗效。

 

 

3. 纳米粒子通过激活节律基因Sirt1和Per2，有效减轻心肌损伤，且这一效果受到昼夜节律的调控。

 

近日，“ACS Nano”（IF=15.8）上发表了一篇题为“Circadian Rhythm-Dependent Therapy by Composite Targeted Polyphenol Nanoparticles for Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury”的文章。这篇文章探讨了一种新型的基于生物节律的治疗策略，用于心肌缺血再灌注损伤。

 

研究背景介绍

 

 

生物节律是指生物体内的一种自我调节的节律性变化，通常以约24小时为周期。在人类和其他动物中，生物节律影响睡眠-觉醒周期、激素分泌、体温调节等多种生理功能。心肌IR损伤的严重程度也表现出一天中的节律变化。

 

 

心肌缺血再灌注（IR）损伤是指在心肌缺血后恢复血流供应时，反而加剧心肌损伤的现象。这种损伤涉及到复杂的生理和病理过程，包括氧化应激、炎症反应、细胞凋亡等。

 

 

研究思路分析

研究技术路线图

 

01纳米粒子的设计与表征

 

 

①利用透明质酸（HA）作为交联剂，通过白藜芦醇（RES）和低聚原花青素（OPC）合成复合纳米粒子（NPs），并通过接枝MMP靶向肽提高其对受损心肌的靶向性。通过FTIR光谱确认了NPs的成功合成，测定了其粒径大小和包封效率，确保了NPs的适宜尺寸和结构。

 

 

②通过CCK-8细胞毒性实验和对小鼠的组织染色确认了NPs具有良好的生物相容性和低毒性。此外，使用罗丹明6G标记的NPs验证了其在体外和体内的心肌靶向能力，QCM-D和活体成像系统显示NPs能有效定位并长期驻留在受损心肌组织中。

 

 

02体外实验结果

 

 

①研究发现，IR损伤的一个重要特征是ROS过载。比较发现NPs的抗氧化水平显著高于HA和RES，但低于OPC单体。此外，NPs在253nm紫外线照射下比365nm下更能保护多酚类物质，而OPC单体在253nm下光稳定性较差。

 

 

②在细胞水平上，NPs能够清除ROS，并在极低浓度下显示出显著的细胞保护作用。NPs还能显著改善血管内皮细胞的迁移，并显示出血管保护作用。通过缺氧再复氧（H/R）实验模拟心肌IR损伤，发现NPs处理能显著降低ROS水平，并下调炎症相关因子的表达，显示出抗炎作用。此外，NPs还能抑制细胞凋亡并显著增加节律基因Sirt1的转录活性。

 

03体内实验结果

 

 

①在生物钟时间ZT1（Zeitgeber time）进行了小鼠IR手术，HE染色证实IR导致了左心室（LV）心肌细胞排列紊乱和细胞间隙增加，而NPs治疗显著减少了IR损伤。Masson染色显示NPs治疗减轻了IR手术引起的纤维化程度。TUNEL染色表明NPs治疗显著减少了凋亡细胞数量。

 

 

②心脏磁共振成像（MRI）应用结果显示，NPs治疗显著减少了梗死面积。T2表征显示NPs治疗降低了T2值，表明对血管内皮细胞的保护作用。超声心动图证实NPs治疗显著改善了IR引起的射血分数（EF）、缩短分数（FS）和左心室内径（LVID）损伤。此外，发现NPs治疗显著降低了炎症因子表达，抑制了心肌细胞凋亡，并激活了Sirt1和Per2，这些可能是NPs保护作用的机制。在ZT13重复实验，血清生化指标表明NPs治疗减轻了IR引起的肝肾功能异常。

 

 

③研究表明，与ZT1相比，在ZT13时IR造成的损伤较轻，NPs的治疗效果也较弱。染色和MRI结果显示，生物钟影响IR损伤程度和NPs治疗效果。超声心动图和分子分析显示，ZT13时NPs对心脏功能的保护作用和对炎症及凋亡因子的调节作用都不如ZT1时显著。这可能与Sirt1基因在不同时间的转录水平差异有关。因此，生物钟节律对NPs治疗心肌IR损伤的效果有重要影响。

 

 

04节律性对治疗效果的影响

 

 

①通过使用Per1/2基因敲除小鼠，发现这些小鼠的昼夜节律显著扰乱，适合用于进一步验证NPs的治疗能力。在没有昼夜节律的小鼠中，IR手术导致心肌显著纤维化、炎症和凋亡损伤，NPs对此几乎没有治疗效果，表明昼夜节律对NPs的治疗效果至关重要。

 

 

②该研究设计的以HA为核心，RES和OPC的NPs，与传统NPs相比具有多种优势，包括更好的生物相容性、靶向递送至受损心肌、低毒性、快速定位等。最重要的是，HA-RES-OPC-MMP NPs的治疗效果依赖于昼夜节律，为相关领域的研究提供了初步探索。

图1. 纳米粒子的物理和靶向特性表征。

图2. 纳米粒子对心血管细胞的保护效果。

图3. 在ZT1时用纳米粒子治疗心肌缺血再灌注模型小鼠。

图4. 在ZT13时用纳米粒子治疗心肌缺血再灌注小鼠。

图5. Per1/2基因敲除小鼠的昼夜节律验证。

图6. 纳米粒子用于Per1/2基因敲除小鼠心肌IR损伤的治疗。

图7. abstract

 

结论与讨论

本研究开发的HA-RES-OPC-MMP NPs纳米粒子在IR损伤的节律依赖性治疗中展现出显著效果。在小鼠模型中，特别是在ZT1时，这种纳米粒子能有效减轻心肌IR损伤，改善心脏功能，并激活节律基因表达。然而，在ZT13时或无生物节律的小鼠中，治疗效果减弱，表明生物节律在纳米粒子治疗中起着关键作用。

在未来，研究需要进一步探索纳米粒子在体内的代谢过程及其长期安全性。此外，需要研究NPs各组分对心肌保护作用的具体贡献，并在人类中验证其治疗效果。最后，制定基于生物节律的治疗策略，优化药物递送时间，以实现更有效的临床应用。

 

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