四川大学华西口腔医院林云锋教授ACS Nano：线粒体“纳米卫士”用于治疗糖尿病周围神经病变及其机制研究

糖尿病周围神经病变

糖尿病周围神经病变是一种常见的糖尿病并发症，它对感觉神经、运动神经元和自主神经系统等周围神经都有损害作用。糖尿病周围神经病变患者通常出现双上肢和双下肢对称性麻木、疼痛、针刺样感觉、蚁走感、灼热感，通常被形象地描述为"手套袜套样型感觉障碍"。更严重的是，糖尿病周围神经病变是导致难治性溃疡和截肢的主要原因之一。为患者和社会带来了巨大负担，但除控制血糖外，目前还没有被FDA批准用于治疗这种疾病的药物。因此，迫切需要研发出有效的药物治疗糖尿病周围神经病变。^【1】

线粒体功能障碍与糖尿病周围神经病变

高糖状态引起细胞中线粒体损伤，以氧化应激损伤以及能量生成障碍为主要表现。高糖导致线粒体电子传递链中电子泄露，当合并膜电位降低时，导致过多ROS 生成，当ROS超过线粒体本身的清除能力时，将破坏线粒体DNA,导致呼吸复合物I 和III上电子反向流动，使ROS进一步生成增加，引起能量代谢以及ATP合成障碍。神经细胞因其高耗能特性，线粒体损伤对其影响更大。^【2】

近期，四川大学林云锋教授等人将四面体框架核酸（tFNAs）搭载白藜芦醇（RSV），作为线粒体的“纳米卫士”，用于治疗糖尿病周围神经病变。该研究发现，四面体框架核酸搭载白藜芦醇（tFNAs-RSV）对糖尿病周围神经病变小鼠的感觉障碍、神经血管病变、脱髓鞘和神经细胞凋亡也有良好的治疗作用。代谢组学分析表明，氧化还原调节和能量代谢是其发挥作用的主要机制。体内及体外检测表明，四面体框架核酸搭载白藜芦醇能抑制亚硝化应激和氧化应激，保护还原酶和线粒体呼吸作用。相关工作以“A Mitochondrial Nanoguard Modulates Redox Homeostasis and Bioenergy Metabolism in Diabetic Peripheral Neuropathy”为题发表在ACS Nano上 。

摘要图：tFNAs-RSV作为线粒体卫士治疗糖尿病周围神经病变

【文章要点】

白藜芦醇(RSV)是一种存在于葡萄、花生、虎杖等植物中的天然多酚。RSV在许多糖尿病并发症中具有有益的作用。作为一种天然抗氧化剂，RSV通过清除自由基的产生，减少脂质过氧化，以及调节抗氧化剂相关酶的活性，降低ROS对线粒体的损害。^【3】且RSV被报道激活AMPK/SIRT1途径，增加线粒体数量，稳定线粒体功能，并导致轴突生长。然而，RSV水溶解性较差，稳定性和生物利用度不佳，严重限制了其临床应用。^【4】tFNAs具有较强的细胞穿透能力，稳定的结构，丰富的载药位点。^【5】因此，将tFNAs用于搭载RSV，有希望提高RSV的生物利用度。图1是材料的合成及表征。通过聚丙烯酰胺凝胶电泳及毛细电泳验证了tFNAs-RSV的成功合成，表征得知，tFNAs-RSV是一种带负电荷的、纳米级的亲水材料，在tFNAs-RSV中，可实现RSV的药物缓释。

图1. tFNAs-RSV合成与表征

将liposome-RSV作为阳性对照，检测tFNAs-RSV的生物利用度。在入胞能力方面，如图2中免疫荧光及流式细胞术结果所示，相较于RSV，tFNAs-RSV展示出更高的胞内荧光强度，被tFNAs-RSV标记的细胞与liposome-RSV相当。同时，根据图3的结果所知，tFNAs-RSV在体内清除更慢，在体内多器官中停留的时间更长，与liposome-RSV相当。体外与体内的结果说明，tFNAs-RSV显著提高了RSV的生物利用度。

图2. 免疫荧光及流式细胞术展示tFNAs-RSV的入胞能力

图3. 活体成像展示tFNAs-RSV的体内分布

应用高糖刺激SH-SY5Y细胞，构建体外疾病模型。tFNA-RSV可明显降低高糖损伤的SH-SY5Y中ROS的产生，与α-硫辛酸相比，tFNA-RSV抗氧化能力更强。tFNA-RSV上调了还原酶的表达，以维持氧化还原动态平衡。另外，本研究发现，tFNAs-RSV保护了线粒体的呼吸作用，主要表现为增加基础呼吸耗氧，最大呼吸耗氧、以及ATP合成相关的耗氧。tFNA-RSV也增加了SH-SY5Y的ATP合成量。从体外结果看。tFNAs-RSV降低了高糖对细胞的损伤，保护其呼吸功能。在体内的应用需要进一步验证。

图4. tFNAs-RSV对高血糖损伤SH-SY5Y细胞氧化还原动态平衡和生物能量代谢的调节

将tFNAs-RSV用于糖尿病周围神经病变的小鼠，给药方式为尾静脉注射，发现其对病变有明显的改善作用。tFNAs-RSV恢复了足部神经小纤维的机械和温度感觉功能。在tFNAs-RSV的作用下，神经血管和小纤维的再生也得到有效促进。在坐骨神经中，轴突病理改变得到缓解，脱髓鞘被抑制。另外，tFNAs-RSV也成功保护了坐骨神经存活，促进神经结构蛋白MBP、β-tubulin的表达。（图5）因此，tFNAs-RSV用体内时，展现出对受损神经的治疗作用，缓解了病变的发展。

图5. tFNAs-RSV减轻db/db小鼠足垫神经、坐骨神经病变

随后对这种缓解效果背后的复杂机制进行了探讨。血清代谢组学结果显示， tFNAs-RSV纠正了异常代谢途径，特别是与TCA循环和氧化还原平衡相关的代谢途径，这些途径与线粒体呼吸功能和氧化还原平衡密切相关。（图6）

图6.tFNAs-RSV纠正糖尿病周围神经病变中与TCA循环和氧化还原平衡相关的代谢异常

在组织学层面进行了进一步的机制探究及验证，结果发现，tFNAs-RSV抑制了亚硝化应激产物Nitrotyrosine以及氧化应激产物8-OHDG的产生，促进还原酶SOD、GSH、CAT的表达。另外，tFNAs-RSV也促进了呼吸链蛋白COX-IV的表达，保护了组织中完整的线粒体。因此，组织学证据表明，tFNAs-RSV保护了线粒体呼吸功能和氧化还原平衡。（图7）

图7.tFNAs-RSV对糖尿病周围神经病变中线粒体氧化还原动态平衡和呼吸功能的维持

【文章总结】

本研究合成了tFNAs-RSV，该复合物不仅具有稳定的构象，而且具有良好的生物利用度和生物相容性，实现了缓慢的体内清除速度和RSV的缓释。它成功地恢复了糖尿病周围神经病变小鼠的感觉功能，减轻了病理变化，并纠正了异常代谢。其潜在的机制是tFNAs-RSV作为线粒体的纳米卫士，调节了氧化还原动态平衡和生物能量代谢。

【参考文献】

【1】Vileikyte, L.; Leventhal, H.; Gonzalez, J. S.; Peyrot, M.; Rubin, R. R.; Ulbrecht, J. S.; Garrow, A.; Waterman, C.; Cavanagh, P. R.; Boulton, A. J. M. Diabetic peripheral neuropathy and depressive symptoms: the association revisited. Diabetes Care 2005, 28 (10), 2378-2383

【2】R. Stavniichuk, H. Shevalye, S. Lupachyk, A. Obrosov, J. T. Groves, I. G. Obrosova, M. A. Yorek, Diabetes Metab Res Rev 2014, 30, 669.

【3】Huang, D.-D.; Shi, G.; Jiang, Y.; Yao, C.; Zhu, C. A review on the potential of Resveratrol in prevention and therapy of diabetes and diabetic complications. Biomed Pharmacother 2020, 125, 109767.

【4】Santos, A. C.; Veiga, F.; Ribeiro, A. J. New delivery systems to improve the bioavailability of resveratrol. Expert Opin Drug Deliv 2011, 8 (8), 973-990.

【5】Zhang, T.; Ma, H.; Zhang, X.; Shi, S.; Lin, Y. Functionalized DNA nanomaterials targeting toll-like receptor 4 prevent bisphosphonate-related osteonecrosis of the jaw via regulating mitochondrial homeostasis in macrophages. Adv Funct Mater 2023, 33 (15), 2213401.