鄭榮泉 尹浩

缺血性腦卒中是腦血管病中的急危癥,具有較高的致殘率和死亡率。大約80%的腦卒中是由于栓子或血栓阻塞血管導(dǎo)致部分大腦循環(huán)突然中斷［1］。目前針對(duì)缺血性腦卒中的治療在于早期實(shí)現(xiàn)再灌注以挽救缺血半暗帶中受損的神經(jīng)元［2］。然而,再灌注會(huì)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)引起的繼發(fā)性組織損傷,稱為腦缺血再灌注損傷(cerebral ischemia reperfusion injury,CIRI)［3］。目 前臨床上控制炎癥以治療CIRI 的策略并不令人滿意,而NP 能夠克服大腦中的生物障礙,為缺血性腦卒中治療提供了一個(gè)新的方向。

1 腦卒中

CIRI 是一個(gè)多細(xì)胞參與的復(fù)雜的級(jí)聯(lián)反應(yīng),病理生理過程復(fù)雜,包括自由基氧產(chǎn)生［如O2-和過氧化氫(H2O2)］、能量代謝障礙、細(xì)胞Ca2+超載、興奮性氨基酸毒性、線粒體損傷、一氧化氮(NO)、一氧化氮合酶(NOS)大量合成、氧化應(yīng)激、多巴胺和神經(jīng)細(xì)胞凋亡有關(guān),此外,炎癥細(xì)胞因子上調(diào),內(nèi)皮細(xì)胞被激活,免疫細(xì)胞從循環(huán)系統(tǒng)遷移到腦組織［3-5］。炎癥反應(yīng)在CIRI 中起關(guān)鍵作用［6］。小膠質(zhì)細(xì)胞(microglia,MG)被認(rèn)為是炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵細(xì)胞［7］。有文獻(xiàn)報(bào)道MG 行為與疾病嚴(yán)重性相關(guān)［8］。

2 MG

2.1 MG 概述 目前認(rèn)為MG 來源于造血系統(tǒng)的原始造血干細(xì)胞產(chǎn)生的巨噬細(xì)胞［9］。MG 是中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)內(nèi)固有的免疫細(xì)胞,約占腦實(shí)質(zhì)的10%［10］,具有免疫和炎癥的多重功能,也具有吞噬作用,能夠清除病原體或受損的神經(jīng)元。作為CNS 的第一道免疫防線［11］,在腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)和腦疾病的神經(jīng)保護(hù)中發(fā)揮重要作用［12］,任何原因引起腦內(nèi)環(huán)境紊亂都可激活MG。MG 過度激活導(dǎo)致炎癥反應(yīng)是許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生的關(guān)鍵［13］。

2.2 MG 與炎癥反應(yīng) MG 活化指其形態(tài)學(xué)的變化,在正常腦組織中,由于受神經(jīng)元抑制作用,MG 呈分枝狀,不斷巡邏CNS 實(shí)質(zhì)以維持CNS 的穩(wěn)態(tài),此時(shí)的MG 為靜息狀態(tài)。當(dāng)損傷或疾病發(fā)生時(shí),失去了抑制作用,MG 迅速被激活,激活后呈阿米巴樣,即活化狀態(tài),活化后的MG 作為CNS 中的定植炎癥細(xì)胞參與炎癥反應(yīng)和免疫應(yīng)答［14］。

中樞神經(jīng)炎癥反應(yīng)是由MG 激活及細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)釋放所引起的?；罨腗G 被認(rèn)為是CNS 中多種神經(jīng)毒性因子的來源,如活性氧(ROS)。MG 的激活是一個(gè)復(fù)雜的過程,會(huì)受到許多物質(zhì)和周圍微環(huán)境的影響。MG 一旦受到干擾,就會(huì)被激活并將鄰近的MG和(或)外周巨噬細(xì)胞募集到損傷部位［15］。在不同的病理階段,MG 與其他細(xì)胞類型(如神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞)動(dòng)態(tài)相互作用并受其影響。因此,MG 的反應(yīng)是可變的,并且會(huì)隨著中風(fēng)后的時(shí)間而變化［11］。

MG 可以在表型上極化為兩種主要表型：“經(jīng)典激活”M1 和“替代激活”M2。M1 型MG 是促炎反應(yīng),其特征是表達(dá)CD86,CD16 和CD32 等；產(chǎn)生各種炎癥介質(zhì),如腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、干擾素-β(IFN-β)和白細(xì)胞介素-23(IL-23)等各種趨化因子和炎癥因子,來清除病原體和受損細(xì)胞,但過多的釋放炎癥介質(zhì),如NO、氧自由基等也會(huì)引起促炎和和細(xì)胞毒性,損傷正常神經(jīng)細(xì)胞,加重神經(jīng)損傷。相比之下,M2 型被視為“修復(fù)細(xì)胞”,M2 型MG 表達(dá)精氨酸酶-1 (Arg-1),CD206 和類胰島素一號(hào)增長(zhǎng)因子(IGF-1)等。分泌抗炎介質(zhì),如促進(jìn)組織修復(fù)的白細(xì)胞介素-4(IL-4),白細(xì)胞介素-10(IL-10)以及一些神經(jīng)營養(yǎng)因子如神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor,NGF)等營養(yǎng)因子促進(jìn)損傷神經(jīng)的修復(fù)與再生,從而抑制炎癥反應(yīng)并促進(jìn)組織再生。此外,與M2 型MG 相比,M1 型MG雖然能夠促進(jìn)神經(jīng)突觸再生,但卻有神經(jīng)毒性作用,Ml型更傾向于誘導(dǎo)神經(jīng)元死亡。M1/M2 細(xì)胞的比例失調(diào)有助于CIRI 后腦炎癥反應(yīng)發(fā)生［16,17］。

已有研究表明,在CIRI 后第0～3 天,活化的MG被募集到梗死周圍區(qū)域并動(dòng)態(tài)極化短暫的抗炎和保護(hù)性M2 表型［16］。M2 型MG 早在缺血后1 h 就被迅速激活,在受損組織中釋放的腺苷三磷酸(ATP)分子。然而,MG 易受缺氧環(huán)境影響,如果缺血持續(xù)時(shí)間超過MG 耐受閾值,MG 就會(huì)在缺血核心死亡。在缺氧條件下,MG 釋放促炎細(xì)胞因子,如白細(xì)胞介素-8(IL-8)和TNF-α,并最終經(jīng)歷缺氧誘導(dǎo)因子-1α (HIF-1α) 依賴性自噬細(xì)胞死亡［10］。CIRI 后第3～14 天,M2 表型被逆轉(zhuǎn)為持續(xù)的促炎和有害M1 表型,促炎性M1 表型在第3 天迅速增加,并在CIRI 的第1 周內(nèi)占據(jù)梗死周圍區(qū)域［16］。M2 型主要出現(xiàn)在早期,損傷后3～5 d 開始逐漸向M1 型轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)變將會(huì)持續(xù)到第14 天。MG的這種動(dòng)態(tài)變化過程對(duì)腦損傷的研究與治療有著重要的意義。因此,了解MG 在CIRI 過程中的作用及機(jī)制,可能為CIRI 治療提供新的策略。

3 CIRI 與NP

目前缺血性腦卒中的治療局限,雖然改善循環(huán)、營養(yǎng)神經(jīng)等治療方法有效,但對(duì)于再灌注所引起的急性腦損傷效果不理想［18］。近些年來,隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展,納米粒子(nanoparticles,NP)可以有效逆轉(zhuǎn)缺血性腦卒中再灌注引起的損傷。大多數(shù)機(jī)制是NP具有延長(zhǎng)血液循環(huán)時(shí)間、降低清除率、提高血腦屏障(BBB)滲透能力和增強(qiáng)腦積聚［19］。減輕神經(jīng)炎癥已成為改善預(yù)后的有效輔助療法［20］。減輕炎癥的主要方法有兩種：減少從血液滲入損傷部位的炎癥細(xì)胞和抑制病灶部位的炎癥細(xì)胞活化和增殖［21］。

BBB 和炎性內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)于中風(fēng)治療中的藥物遞送和炎性細(xì)胞浸潤(rùn)都至關(guān)重要［22］。特別BBB 是阻止治療藥物進(jìn)入CNS 的主要障礙［6］。缺血性腦卒中會(huì)在短時(shí)間內(nèi)(幾分鐘到幾小時(shí))啟動(dòng)BBB 開放,然后在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)(幾小時(shí)到幾天)再次重新開放。缺血區(qū)域的再灌注(血液供應(yīng)的恢復(fù))對(duì)于減少腦損傷至關(guān)重要,同時(shí)也可能導(dǎo)致再灌注損傷,導(dǎo)致BBB 重新開放［23］。

3.1 NP 作為藥物載體與藥物納米化 NP 因其體積小、無毒、生物降解性、非免疫原性、在生物系統(tǒng)中持續(xù)釋放藥物的能力和在炎癥區(qū)域積聚的傾向而被認(rèn)為是最有效的藥物傳遞載體［24］。許多藥物之所以無效或療效不佳,是因?yàn)樗鼈儧]有靶向輸送到患病區(qū)域。為了解決這一問題,納米技術(shù)靶向給藥成為一種有效的治療方法。納米技術(shù)可以根據(jù)不同的目的修飾或模仿生物活性,允許藥物高效和按需釋放到靶向區(qū)域,最大限度地發(fā)揮藥物的治療效果,同時(shí)最大限度地減少副作用［25］。最近,一些研究表明,以NP 為載體的復(fù)合藥物可以改善缺血性腦卒中的治療。不同的NP 配方可以增加CNS 藥物的生物利用度。例如：聚乙二醇化NP、聚合物NP、不同類型的脂質(zhì)NP［8,26］。適當(dāng)?shù)募?xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)治療藥物又是另一個(gè)難題,但NP 可以利用MG 中現(xiàn)有的內(nèi)吞途徑進(jìn)行內(nèi)化。由于MG 在激活狀態(tài)下吞噬行為的增加,MG 是藥物遞送的有效細(xì)胞靶標(biāo)。量子點(diǎn) (QD) 和聚酰胺胺(PAMAM)樹枝狀聚合物等NP 具有MG 特異性藥物遞送［8］。藥物的納米化可以增加其飽和溶解度,據(jù)報(bào)道,納米懸浮液制劑可以提高生物利用度。因此,以納米晶體的形式制備低溶解度藥物或化合物的能力為藥物治療和藥物傳遞提供了一個(gè)新的范式［26］。

3.2 NP 抗炎、抗氧化作用及NP 成像 NP 還具有抗炎、抗氧化作用。納米技術(shù)介導(dǎo)的抗氧化治療已被證明是一種很有前途的治療氧化損傷引起的疾病的方法,氧化鈰、金NP 等均得到證實(shí)［19］。目前治療腦部疾病的一個(gè)新興模式是將治療和診斷藥物共同輸送到目標(biāo)部位,同時(shí)幫助監(jiān)測(cè)治療藥物的有效性,但挑戰(zhàn)在于確定成像和治療藥物的理想組合,這種組合能夠協(xié)同作用,并確保它們共同輸送到受影響的區(qū)域,克服強(qiáng)大的BBB。正是在這種背景下,以納米技術(shù)為基礎(chǔ)的干預(yù)具有重要意義。利用納米尺度載體系統(tǒng),同時(shí)將影像和治療劑通過BBB 送到受影響的部位,對(duì)于腦卒中的治療來說是一個(gè)新前景［27］。

4 MG 與NP

4.1 抑制MG 極化和促進(jìn)M1 轉(zhuǎn)化為M2 控制MG的激活狀態(tài)和直接抑制促炎因子是預(yù)防缺血性中風(fēng)引起的損傷的潛在干預(yù)措施［17］。MG 功能與其表型密切相關(guān),如能抑制MG 激活,特別是M1 型MG,能減輕或抑制炎癥反應(yīng),減少腦損傷。阿奇霉素(AZ)可以抑制病理性MG 激活以應(yīng)對(duì)缺血性中風(fēng)損傷。Joseph 等［8］設(shè)計(jì)了聚苯乙烯-聚乙二醇(PS-PEG)納米顆粒遞送AZ,通過納米顆粒運(yùn)載到達(dá)中樞抑制MG 的激活來減輕炎癥反應(yīng)。姜黃素具有抗炎和抗氧化作用,姜黃素可以抑制活性氧形成,減少炎癥損傷,但姜黃素水溶性差和化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定,在很大程度上限制了其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。Wang 等［28］研究了包裹姜黃素的納米顆粒(NPcurcumin) 可以提高姜黃素的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)其在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間。通過降低BBB 通透性保護(hù)BBB 和抑制M1 型MG 激活并減弱了TNF-α 和白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)的分泌來減少缺血半暗帶中的氧化應(yīng)激和炎癥,從而減少了梗死面積和改善功能恢復(fù)。Liu 等［29］研究發(fā)現(xiàn)一定濃度金NP(Au-NPs)可提高了抗炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生,并抑制了CIRI 誘導(dǎo)的星形膠質(zhì)細(xì)胞和M1型MG 的激活,抗凋亡蛋白表達(dá)上調(diào),促凋亡分子表達(dá)下調(diào),可顯著改善神經(jīng)功能缺損和梗死體積,其神經(jīng)保護(hù)作用主要是由于其抗炎和抗凋亡作用。

促進(jìn)MG 從M1 極化到M2(抗炎型)可以減弱炎癥反應(yīng)并挽救受損的神經(jīng)元,這也是近年來研究的熱點(diǎn)［2,30］。有文獻(xiàn)報(bào)道一些小分子藥物,如芬戈莫德(FTY),可以促進(jìn)MG 向M2 型極化［2］。Li 等［2］制備了一種裝載芬戈莫德(FTY)的巨噬細(xì)胞封裝的蜂窩狀二氧化錳(MnO2) 納米球。FTY 通過靜電相互作用封裝在MnO2納米顆粒中,通過激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3) 通路促進(jìn)MG 的表型轉(zhuǎn)變,從而逆轉(zhuǎn)促炎微環(huán)境。Mujagi? 等［30］研究氮氧自由基(4-氨基-TEMPOL)偶聯(lián)納米粒子(RNPs,抗氧化納米藥物),與 TEMPOL 相比,它們的直徑為30 nm,靜脈注射后半衰期長(zhǎng)60 倍。RNPs 能抑制BBB 破壞并支持MG 極化為M2 型MG,提高ROS 清除能力,從而提高了存活率和神經(jīng)功能缺損。

4.2 抑制MG 增殖 對(duì)于已經(jīng)存在于大腦中的MG,當(dāng)務(wù)之急是削弱它們?cè)谠坏墓δ芎驮鲋场＠?雷帕霉素(RAP)可以顯著減少巨噬細(xì)胞和MG 產(chǎn)生的促炎細(xì)胞因子和趨化因子［22］。Wang 等［22］報(bào)道了一種單核細(xì)胞膜包被雷帕霉素納米粒子(McM/RNPs),McM/RNPs 可以主動(dòng)靶向并結(jié)合炎癥內(nèi)皮細(xì)胞,抑制單核細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的粘附,從而起到屏障的作用。隨后,McM/RNPs 可以穿透內(nèi)皮到達(dá)損傷部位,釋放雷帕霉素(RAP)藥物抑制MG 的增殖,起到緩解炎癥的作用。

4.3 抑制MG 功能 MG 是CNS 中補(bǔ)體成分C3 的重要局部來源,而C3 在CIRI 后的MG 神經(jīng)毒性中起核心作用。MG 在 CIRI 損傷發(fā)生后的幾分鐘內(nèi)迅速粘附、遷移并進(jìn)入半暗帶,并誘導(dǎo)大量 C3 在半暗帶內(nèi)沉積。反過來,沉積的C3 會(huì)進(jìn)一步加劇MG 的激活并放大炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致神經(jīng)元損傷。此外,C3 被切割成抗微生物肽C3a 和調(diào)理素C3b。C3b 在附近神經(jīng)元表面的沉積導(dǎo)致其與MG 上的補(bǔ)體受體3 (CR3)結(jié)合,從而增加神經(jīng)元的MG 吞噬作用。Wang 等［31］制備了裝載C3-siRNA 的納米碳化硅。該NP 可以有效地將C3-siRNA 從血液中穿過BBB 傳遞到缺血半暗帶,并顯著降低MG 和缺血腦組織中C3 的表達(dá),減少了神經(jīng)元上的C3b 沉積并減少了MG 介導(dǎo)的神經(jīng)元損傷,阻止神經(jīng)元凋亡,減少缺血區(qū)的體積,顯著改善CIRI 損傷后的功能恢復(fù)。

4.4 監(jiān)測(cè)活化MG 由于活化MG 分泌促炎和抗炎因子和其他分子介質(zhì),導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。如果能采用非侵入性方法在體內(nèi)識(shí)別活化MG 就可以更早地檢測(cè)到神經(jīng)炎癥,并提供一種監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展和治療干預(yù)的方法。目前,大多數(shù)活化MG 成像探針主要設(shè)計(jì)用于正電子發(fā)射斷層掃描(PET)和目標(biāo)易位蛋白,這些蛋白也存在于其他腦細(xì)胞上。獲得的PET 圖像并不特定于MG 驅(qū)動(dòng)的炎癥。Tang 等［7］設(shè)計(jì)了一種潛在的PET/MRI 多模式成像探針-硫酸化葡聚糖包被的氧化鐵(SDIO)NP,它選擇性地靶向活化MG 表達(dá)的清道夫受體A 類(SR-A),SDIO 被MG 迅速吸收,在小鼠模型中靜脈注射時(shí)顯示無毒性。SDIO 顯著增強(qiáng)了對(duì)比度,而使用非靶向NP 或未使用NP 的動(dòng)物對(duì)比度幾乎沒有變化。因此,SR-A 定位代表了一種很有前途的策略,可以對(duì)大腦中激活的MG 進(jìn)行成像。進(jìn)行無創(chuàng)成像的能力將為研究和臨床應(yīng)用提供有價(jià)值的信息。

綜上所述,缺血性腦卒中的發(fā)生難以預(yù)料且癥狀嚴(yán)重。目前臨床上治療方法僅有溶栓使血管再通效果顯著,重組組織型纖溶酶原激活劑(rt-PA)溶栓治療是目前主要治療方法,但仍存在許多問題,包括時(shí)間窗窄、半衰期短、rt-PA 誘導(dǎo)再灌注和氧化損傷等。納米技術(shù)的發(fā)展為腦再灌注損傷提供新的治療方法。目前NP 用于抑制MG 活化。抑制MG 活化并不是完全抑制其活性,而是通過抑制M1 型的過度激活,從而抑制炎癥因子、細(xì)胞毒性因子的釋放,達(dá)到調(diào)節(jié)M1/M2平衡的作用,從而使MG 的激活向改善神經(jīng)炎癥的方向發(fā)展,達(dá)到緩解或治療疾病的效果。保護(hù)神經(jīng)元不受損壞也是治療CIRI 的研究熱點(diǎn)和方向?，F(xiàn)階段作為治療腦卒中的NP 仍在研究當(dāng)中,尚存在諸多問題,包括NP 的毒性、體內(nèi)代謝過程等。不過,NP 用于治療腦再灌注損傷是一個(gè)很有前景的治療方法。