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蛋白表达定量 Label free非标定量 TMT标记定量 PRM靶向定量 |
中南大学湘雅医院王杨教授长期从事中西医结合治疗脑部疾病的相关研究，近期其课题组发表题为“Small Molecule Hydrogels Loading Small Molecule Drugs from Chinese Medicine for the Enhanced Treatment of Traumatic Brain Injury”的文章，利用小分子水凝胶GBR-gel装载中医小分子药物来增强创伤性脑损伤的治疗效果。在文章研究中采用了一种小分子水凝胶GBR-gel，该水凝胶GBR-gel具有准备简单、成本效益高和良好的生物相容性等多种优点，能够在生理条件下装载常见重要来源的小分子药物（甘草酸、黄连素和大黄酸），在脑损伤部位迅速给药，从而产生强大的药效。进一步的单细胞RNA测序和实验验证表明，GBR-gel能够有效恢复外伤性脑损伤（TBI）后抑制的谷氨酸能突触通路，从而减轻炎症反应和神经损伤，为创伤性脑损伤的及时干预提供了一种替代策略。该研究成果于2024年发表在学术期刊ACS Nano上，影响因子为15.8（单细胞测序由康成生物丨数谱生物提供技术服务）
研究背景
创伤性脑损伤（TBI）是指因外力导致的脑功能障碍，已成为全球健康的一大挑战。越来越多的证据表明，TBI从急性期向慢性期过渡过程中，复杂的病理变化（如炎症、水肿等）将逐渐导致长期神经功能障碍，甚至增加死亡率。因此，早期干预对于改善TBI的进展和幸存者的预后至关重要。局部药物递送能够有效满足在创伤性脑损伤（TBI）急性期向受损腔体递送药物的需求。
GBR-gel由黄连素（B）和大黄酸（R）作为纳米颗粒溶液构成，并内嵌甘草酸（G），通过非共价相互作用交联，从而在生理pH条件下形成无载体天然水凝胶。利用GBR-gel进行局部药物递送展现出更好的抗神经炎症和整体神经保护能力，并具有卓越的生物相容性。
为了研究这些药物的优越保护效果，文章利用单细胞RNA测序探讨了其潜在机制。结果表明，GBR-gel增强了谷氨酸能突触通路，从而维持正常的神经元活动，支持少突胶质前体细胞（OPCs）的分化和成熟，最终抑制了脑内炎症反应。本研究展示了出色的神经保护效果，为在TBI急性阶段实现局部给药提供了一种有前景的策略。
研究思路
GBR-gel在创伤性脑损伤（TBI）的整体治疗效果上作用显著。
本研究利用2%的甘草酸（glycyrrhizic acid）与大黄酸（Rhein）和黄连素（Berberine）制备的GBR-gel具有优越的生物兼容性，对脑组织的适应性以及优秀的注射性。在多项神经功能实验中显示出优越的治疗效果。GBR-gel给药后，凋亡神经元的数量显著减少。GBR-gel表现出突出的抗炎活性，有效减轻了TBI后的继发性脑水肿。
单细胞测序：GBR-gel减轻了TBI后OPC分化的抑制。
为探讨GBR-gel在TBI后发挥作用的关键机制，文章对来自假手术组（Sham）、受控皮质影响诱导的 TBI 小鼠模型组(CCI)和GBR-gel治疗组的小鼠在第7天的周围挫伤皮层进行了单细胞RNA测序（scRNA-seq），并根据其独特的表达特征分为11种细胞类型（图6A）：小胶质细胞（MG）、内皮细胞（EC）、成熟神经元（mNEUR）、少突胶质细胞（OLG）、谷氨酸能神经元（GN）、星形胶质细胞（ASC）、神经母细胞（NB）、巨噬细胞（MAC）、树突细胞（DC）、自然杀伤细胞（NK）和少突胶质前体细胞（OPC）。
与Sham组相比，CCI组OPC比例明显增加。在正常生理状态下，驻留的OPC通过增殖和分化成熟为OLG，生成髓鞘并再生轴突。然而，在脑损伤期间，OPC表现出异常增殖，并未能分化为功能性OLG，导致神经功能持续严重损害。而GBR-gel逆转了这一异常变化。为了评估不同组间OPC向OLG的分化情况，文章进行了拟时序分析，并且发现Sham组和GBR-gel组相比CCI组，OPC和OLG的分化程度逐渐增加。这些数据表明，GBR-gel能够减轻TBI后异常的未分化前体细胞。
文章进一步检验了相关标记物的表达，以验证GBR-gel在体内促进前脑胶质细胞（OPC）分化、髓鞘形成和轴突再生的能力。免疫荧光实验证实，GBR-gel在TBI后挽救了OPC的分化和成熟。检测髓鞘蛋白脂质膜蛋白（PLP）和神经丝蛋白（NF-H）表达的分析显示，GBR-gel有利于维护髓鞘稳定和支持轴突再生。
单细胞测序：GBR-Gel通过Gria2和Grin2b增强了谷氨酸能突触通路，从而促进了GN-OPC-GN三方突触的形成。
通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）也观察到GBR-gel治疗后神经元GN的比例增加。因此，文章着重研究了GBR-gel在GN和OPC之间的主要作用机制。通过分析GN和OPC中Sham-CCI-GBR gel组差异基因DEGs的交集，发现大部分DEGs（225个基因）出现在GBR gel治疗后GN和OPC的上调基因集中。KEGG通路分析显示， DEGs在谷氨酸突触通路富集。该通路包含了14个DEGs，与CCI组中前20个特异性下调的DEGs取交集。在GNs中筛选出Gria2和Grin2b，而在OPCs中则鉴定出Slc1a2。OPCs通过转运蛋白Slc1a2摄取谷氨酸，在谷氨酰胺合成酶（Glul）的催化下转化为谷氨酰胺。谷氨酰胺被转运回前神经元，并在谷氨酸酶（GLS）的作用下转化回谷氨酸，通过谷氨酸转运蛋白（VGLUTs）Slc17a7转运到突触囊泡中，释放出突触前膜，被后神经元突触的AMPA受体Gria2和NMDA受体Grin2b吸收，激活谷氨酸能突触通路。在Sham-CCI-GBR gel组中OPC中Slc1a2表达先降后升,表明OPCs能够通过Slc1a2吸收GBR-gel处理后从突触前膜释放的谷氨酸，从而维持其分化功能，并减轻外伤性脑损伤（TBI）后谷氨酸的毒性。神经元中GLS/Slc17a7/Gria2/Grin2b表达先降后升，说明GBR-gel有助于激活谷氨酸能突触通路，参与并维持中枢神经系统的信号传递、神经发育和突触可塑性。
总体而言， GNs、OPCs及下游的GNs之间形成了一个三方调控网络。外伤性脑损伤（TBI）后，谷氨酸能突触通路的抑制削弱了这种调控模式。施用GBR-gel能够保持正常的神经元活动，并通过促进谷氨酸能突触通路增强OPC的分化，从而进一步抑制炎症。
技术路线
图 1. GBR-gel在创伤性脑损伤（TBI）的整体治疗效果上作用显著。
图 2.单细胞测序表明GBR-gel减轻了TBI后OPC分化的抑制。
图 5. 通过小分子自组装的水凝胶GBR-gel进行局部给药治疗TBI示意图。小分子水凝胶GBR-gel是通过三种来源于中药的小分子药物在生理pH环境中通过非共价键自组装而成，具有与脑组织的最佳模量匹配的特性。GBR-gel 主要通过调节TBI后抑制性谷氨酸能突触通路，促进OPCs的分化和成熟，从而保护髓鞘和轴突，并减轻TBI后的炎症反应，最终发挥整体神经保护作用。
研究意义
本研究使用康成生物单细胞测序技术研究小分子水凝胶GBR-gel可以作为外伤性脑损伤（TBI）增强治疗的潜在疗法。GBR-gel已显示出调节GN-OPC-下游GN三方突触单元的能力，从而恢复TBI后下调的谷氨酸能突触通路。这种调控效应促进了OPC的分化和成熟，促进了髓鞘形成和轴突再生，并发挥了免疫炎症调节和神经保护功能。将这种小分子水凝胶转移到临床应用中需要几个额外步骤，包括建立稳定的非人灵长类动物TBI模型、进行临床前安全性和毒理学评估、开发批量生产设备以及启动TBI患者的研究。最终，GBR-gel作为外伤性脑损伤的局部应用系统展现出前景，这可能会影响TBI治疗中药物的选择。
原文出处
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c09097
康成生物丨数谱生物可提供的相关技术服务
