通过复合微球水凝胶靶向麻醉和手术诱导的衰老细胞，作为血小板因子4输送的鼻-脑放大器，用于修复神经认知功能障碍

《Biomaterials》：Target anesthesia and surgery induced senescent cell via composite microsphere hydrogels as nose-to-brain amplifiers of platelet factor 4 delivery for neurocognitive dysfunction repair

　　术后认知障碍与细胞衰老相关机制及PF4水凝胶递送系统研究

　　本研究聚焦于围术期神经认知障碍（Perioperative Neurocognitive Disorder, PND）这一在老年手术患者中较为常见的并发症。PND不仅增加了神经退行性疾病的风险，还可能导致死亡，同时给社会和经济带来沉重负担。尽管PND的发病率较高，但其发生的具体原因、潜在的病理机制以及有效的治疗手段仍然不明确。研究者发现，细胞衰老相关的分泌表型（Senescence-Associated Secretory Phenotype, SASP）是细胞衰老的产物，能够驱动炎症老化（inflammaging）和认知功能下降。然而，目前对于细胞衰老与PND之间关系的探讨仍较为有限。本研究旨在揭示细胞衰老在PND中的关键作用，并探索基于PF4的治疗策略作为转化医学的可能性。

PND与神经退行性疾病如阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）在机制和病理特征上具有相似性，这使得研究PND的病理机制对于理解AD等疾病也具有重要意义。研究发现，麻醉和手术会进一步加剧老年小鼠海马体神经元的细胞衰老负担，表现为细胞衰老相关标志物如CDKN2A/p16、CDKN1A/p21、SASP、SA-β-Gal等的增加，以及脂褐素和脂滴的积累，以及突触功能障碍。这些现象表明，麻醉和手术可能通过引发细胞衰老，从而导致认知功能的下降。

研究还发现，PF4（血小板源性因子）的水平在老年个体中往往降低，而PF4的减少与AD患者脑脊液中Aβ-42和t-tau水平升高以及认知功能下降密切相关。PF4作为一种新型的血小板源性因子，具有显著的神经保护作用。例如，PF4能够降低促炎基因（如Tnf、Nfkb1、Il-1b）和补体因子（如C1qb）的表达，同时减少小胶质细胞的激活（如CD11b的表达），并增加与突触可塑性相关的蛋白（如Bdnf、Ntf3和Tmem108）的表达。这些作用有助于改善老年小鼠的海马体依赖性学习和记忆功能，如在新型物体识别（Novel Object Recognition, NOR）和Y迷宫测试中表现明显。

然而，PF4在治疗PND中的作用尚未被充分研究。研究者通过实验发现，PF4的治疗能够显著改善PND小鼠的认知功能，同时减少细胞衰老相关的病理变化。值得注意的是，PF4的治疗效果具有一定的持续性，例如，仅1周的PF4治疗可以带来近2周的认知功能提升。这表明PF4可能具有一定的神经保护作用，并且其治疗效果可能具有持久性。此外，PF4的治疗不会引起明显的血液计数、凝血功能、肝肾功能等改变，这进一步支持了其作为安全有效的治疗手段的潜力。

在治疗方式上，考虑到老年患者的脆弱性和围术期管理的时间限制，非侵入性、精准性和稳定性的药物递送方式尤为重要。传统的全身给药方法存在靶向效率低、副作用多等问题，而鼻内给药系统因其非侵入性、靶向脑部以及提高脑室药物递送效率而受到关注。然而，鼻黏膜的自然清除机制限制了药物在鼻腔内的滞留时间，同时鼻腔上皮细胞间的紧密连接也阻碍了药物的跨细胞运输。因此，研究者提出了一种基于阳离子吸收增强剂的药物递送策略，以增强鼻黏膜的粘附性和药物吸收效率。

受PF4中和肝素抗凝活性的生理机制启发，研究者利用基于肝素的生物材料实现了PF4的高载药量和时空可控释放。PF4是一种高度阳离子的四聚体蛋白，由四个相同的70个氨基酸亚基组成，其N端富含赖氨酸。而肝素是一种高度硫酸化的糖胺聚糖（GAG），在生理条件下具有丰富的硫酸基（-SO3^-）和羧基（-COOH），赋予其高负电荷密度。肝素的长链多阴离子特性使其能够与PF4的多个阳离子位点相互作用，从而促进其释放和滞留。因此，基于肝素的生物材料在PF4递送方面展现出良好的应用前景，其与阳离子水凝胶载体的结合可能实现PF4的持续释放和延长鼻腔内的滞留时间。

本研究通过微流控技术制备了PF4负载的明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）/肝素甲基丙烯酸酯（HepMA）微球（MS），并将其与在体凝胶化的壳聚糖（CS）热敏水凝胶相结合，形成了一种复合水凝胶鼻腔储库。这种储库能够实现PF4的持续释放，并在PND小鼠中显著改善认知功能。通过这种微流控水凝胶微球和热敏水凝胶的组合，研究者成功构建了一种非侵入性的药物递送系统，为PND的治疗提供了新的思路。

研究中还涉及了动物实验的设计和实施。研究使用了8周龄和18月龄的雄性C57BL/6J小鼠，以避免雌性小鼠在动情周期中的变量影响。小鼠被饲养在标准笼子中，环境条件为23°C±1°C、50%湿度，遵循12小时光照-黑暗周期，并且自由获取食物和水。研究严格遵守3R原则（替代、减少、优化），以最大程度减少动物的不适并控制实验数量。所有动物实验均获得伦理委员会的批准，确保研究的科学性和伦理性。

研究团队在实验过程中发挥了重要作用，其中Wenting Li、Miaomiao Fei和Silu Cao对实验进行了深入调查，而Xiaoyue Xu、Nan Wang和Qiang Liu则参与了实验设计、撰写和项目管理。Xiaoxiao Sun、Cheng Li和Zheng Xie则负责实验的撰写、编辑和方法学部分。Xiaofei Gao也参与了实验的撰写和编辑工作。此外，研究得到了多项基金的支持，包括国家自然科学基金（82402475、82271223）、上海市科委学术/技术研究领军人计划（23XD1422900）、虹口区卫生健康委员会（HKLCFC202405）以及同济大学医学院附属上海第四人民医院的资助（SY-XKZT-2023-1014、SY-XKZT-2023-1001、syykyts202502）。这些支持为研究提供了必要的资源和条件，使得实验能够顺利进行并取得重要成果。

在讨论部分，研究者指出，麻醉和手术作为强烈的应激源，能够引发与神经退行性疾病相似的病理变化，如内质网（ER）应激、异常cAMP信号传导、铁代谢紊乱、蛋白质聚集和线粒体功能障碍。此外，这些病理变化还与AD的典型组织病理学特征相吻合，如微管相关蛋白增加、tau蛋白异常积累以及神经纤维缠结的形成。这表明，麻醉和手术可能通过多种机制影响神经系统的健康，而其中细胞衰老可能是一个重要的中介因素。

综上所述，本研究通过系统分析麻醉和手术对老年小鼠细胞衰老的影响，揭示了PF4在PND中的关键作用，并开发了一种基于微流控技术的新型药物递送系统，以实现PF4的持续释放和高效的鼻腔-脑部药物递送。这一研究不仅为PND的治疗提供了新的思路，也为其他与细胞衰老相关的神经系统疾病提供了潜在的治疗策略。研究团队的努力和多项基金的支持，使得这一研究得以深入展开，并为未来相关领域的研究奠定了坚实的基础。