Advanced Functional Materials：干细胞治疗脑卒中的新策略，利用仿生自组装氧化铁纳米链改良干细胞

缺血性脑卒中是世界范围内一类高发的脑部疾病，具有很高的致死率和致残率。然而，目前临床上对于脑卒中后的修复治疗却依然缺乏有效的药物。如何促进脑卒中后病人缺血脑部的快速修复，提高病人的存活率，降低脑损伤导致的致残风险，也成为当前脑卒中后治疗的一个重要挑战。近日，浙江大学药学院的凌代舜研究员和高建青教授团队通过在材料和干细胞两个领域的交叉合作研究，成功构建了一种仿磁小体结构的氧化铁纳米链用于对人胎盘来源的间充质干细胞（Mesenchymal stem cells, MSCs）的高效改良，这种改良后MSCs在缺血性脑卒中小鼠模型上取得了明显优于天然干细胞的疗效。

近年来，干细胞疗法的兴起为解决缺血性脑卒中治疗难题提供了一种潜在的解决方案。但是，天然干细胞在实际治疗中依然面临着诸多挑战，比如，体外分离和培养的干细胞对神经营养因子的分泌水平较低，回输入体内后对于脑部受损组织的修复作用也往往有限。同时，通过系统注射的干细胞由于肺部首过效应和血脑屏障等的阻碍，使得真正归巢至缺血脑部的细胞数目偏少，无法满足相应干细胞治疗的需求。此外，对于这些回输入体内的干细胞也缺乏有效的示踪探针，以对它们在体内的归巢进行非侵袭性示踪。上述这些不足也极大限制了当前干细胞在缺血性脑卒中治疗中的应用。通过对天然干细胞进行相应的改良，如基因重组等可以提高天然干细胞对相关细胞因子的分泌水平或者向疾病区域的归巢效率，从而有助于提高干细胞治疗的疗效，为干细胞高效用于脑卒中治疗提供可能。基于病毒载体的基因导入是目前最为常用的细胞基因重组手段，但是这一技术在干细胞上的应用却存在着一定的安全风险。非病毒转染技术是近年来发展起来的一种相对安全的基因重组手段。然而，大多数常见的非病毒基因转染载体在干细胞上转染效率依然无法满足实际治疗的需求。

针对上述问题，浙江大学药学院团队通过设计和合成新型的仿生亚铁磁性氧化铁组装纳米链（Magnetosome-like ferrimagnetic iron oxide nanochains, MFIONs），成功实现了对MSCs相对高效和安全的基因重组，有效促进了从人胎盘分离获取的MSCs在体内外对脑源性神经营养因子（Brain-derived neurotrophic factor, BDNF）的分泌水平。研究同时发现，被摄取的MFION还能刺激MSCs细胞趋化因子相关受体（CXCR4）表达水平的明显上调，显著促进通过尾静脉注射的MSC向缺血受损大脑的归巢。在小鼠缺血性脑卒中模型上的治疗结果显示，相比基于天然MSCs的干细胞治疗，采用该MFION改良后的MSCs进行治疗能显著提高小鼠的生存率，并促进神经功能的快速修复（图1）。相关研究为氧化铁纳米材料的设计和通过氧化铁纳米材料改良天然干细胞，提高干细胞治疗的疗效提供了新的研究思路。

图1. 利用MFION的高长径比实现纳米材料的高效入胞，进而通过基因转染使MSCs高效表达BDNF。同时，MFION在胞内降解后能通过铁离子信号通路刺激MSCs的CXCR4高表达，最终实现对缺血性脑卒中的有效靶向治疗。图片来源：Adv. Funct. Mater.

本研究设计合成的氧化铁纳米立方体在较小纳米尺寸下依然具备较强的磁偶极相互作用，从而有利于实现纳米颗粒间的一维自组装。经聚合物修饰后，这种组装纳米链可稳定地维持一维链状结构，并良好地分散于水相体系中，有利于进一步制备相应的基因/载体复合物。同时，这种组装纳米链较高的磁矩使其具有较高的r2弛豫时间，具有进一步开发成良好的干细胞探针的潜力（图2）。

图2. MFION的制备和表征。图片来源：Adv. Funct. Mater.

本研究进一步阐明，所设计合成的MFION能作为基因传递载体实现对MSCs的高效基因重组以及明显刺激干细胞归巢的能力都与其一维纳米链状结构有关。这种一维纳米链状结构相比普通的球形氧化铁纳米粒，能极大提高了纳米颗粒与细胞膜的接触面积，从而无需磁场协助即可实现氧化铁纳米粒的高效摄取。这种通过改变纳米颗粒在细胞膜表面的排列，提高纳米材料摄取效率的设计为促进纳米材料被干细胞的胞吞提供了新的策略（图3）。

图3. MFION的一维纳米链状结构扩大了纳米颗粒与细胞膜的接触面积，是其相比普通球形氧化铁纳米粒能更高效入胞的原因之一。图片来源：Adv. Funct. Mater.

最终，在小鼠缺血性脑卒中模型上的治疗结果显示，这种经MFION改良后的MSCs静脉注射后，相比天然MSCs，具有更好地向缺血受损脑组织进行归巢的能力，显著提高脑组织中的BDNF含量。进而，明显提高缺血性脑卒中模型小鼠的生存率，减少脑部缺血受损面积，促进受损脑部更多神经元细胞的再生以及小鼠神经功能的快速修复。（图4）

图4. MFION改良的MSCs显示了对小鼠缺血性脑卒中模型最优的治疗疗效。图片来源：Adv. Funct. Mater.

这一成果近期发表在Advanced Functional Materials 上，文章的第一作者是浙江大学博士后张添源助理研究员。相关研究是双方各自在氧化铁纳米材料的可控制备与表面修饰（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 10071; Acc. Chem. Res., 2015, 48, 1276），和利用重组神经干细胞成功治疗缺血性脑卒中后 (Adv. Mater., 2019, 31, e1807591.)，在干细胞改良和脑部疾病靶向治疗领域的又一重要进展。

Ferrimagnetic Nanochains‐Based Mesenchymal Stem Cell Engineering for Highly Efficient Post‐Stroke Recovery

Tianyuan Zhang, Fangyuan Li, Qianhao Xu, Qiyue Wang, Xinchi Jiang, Zeyu Liang, Hongwei Liao, Xianglei Kong, Jianan Liu, Honghui Wu, Danping Zhang, Changhua An, Liang Dong, Yang Lu, Hongcui Cao, Dokyoon Kim, Jihong Sun, Taeghwan Hyeon, Jianqing Gao,* and Daishun Ling*

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1900603, DOI: 10.1002/adfm.201900603