贵金属基纳米材料抑制神经兴奋性中毒的研究

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神经性疾病严重威胁着人类健康,随着对神经疾病机制的深入探究,研究发现神经兴奋性中毒与神经性疾病(如:脊髓损伤、癫痫等)的发生、发展密切相关。神经兴奋性中毒,是指由于兴奋性神经递质促使神经元持续过度活化引发的一系列神经毒性,最终导致细胞死亡和神经功能丧失。近年来,贵金属基纳米材料由于具备独特的物理化学性质,在能源催化、生物传感和疾病治疗等领域呈现出巨大的应用价值。因此,结合神经疾病微环境的特点和贵金属基纳米材料的物理化学特性,研发基于贵金属基纳米材料的创新策略用于高效治疗解决神经兴奋性中毒导致的诸多神经性疾病,具有重要的学术价值和临床意义。本论文聚焦于贵金属基纳米材料抑制神经兴奋性中毒用于相关神经疾病的治疗。依据神经性疾病的微环境,设计制备了两类新型贵金属基纳米材料体系,系统探究了利用材料物理特性和化学特性解决神经兴奋性中毒的关键科学问题。主要研究内容如下:1、基于金@聚多巴胺纳米材料(Au@PDANRs)静电感应策略用于脊髓损伤的高效治疗。在脊髓原发性损伤引发继发性损伤的过程中,往往伴随着损伤部位的氧化还原稳态失衡,活性氧(Reactive oxygen species,ROS)水平迅速上升,导致神经元钙内流,引起细胞兴奋性中毒死亡,最终造成脊髓功能丧失。针对该瓶颈问题,本研究设计制备了Au@PDANRs用于逆转脊髓损伤病理微环境,Au@PDANRs与微环境中ROS反应后,与神经元细胞膜形成感生电场,降低了神经元兴奋性中毒,实现了脊髓损伤的高效修复。该策略具备以下特点:(1)Au@PDANRs表面丰富的羟基和亚胺基等还原性基团,可以清除病理微环境中多种ROS,更为重要的是,ROS可氧化PDA的酚羟基转变为醌基,有利于材料与细胞膜上蛋白发生席夫碱反应,形成共价键或氢键,贴附在细胞表面;(2)由静电感应机制可知,Au@PDANRs贴附于细胞膜表面,可与神经元构建感生电场,通过改变神经元放电特性,降低了神经元兴奋性中毒,起到保护脊髓损伤中受损神经元的作用。水溶液、背根神经节细胞和脊髓损伤模型鼠等实验结果表明,Au@PDANRs具有清除多种ROS的优良性能,降低神经元兴奋中毒,实现脊髓损伤的高效治疗。该工作提出了基于Au@PDANRs重塑脊髓损伤病理微环境和神经元膜电特性的静电感应策略,为其它功能类似材料用于神经损伤的高效修复提供借鉴性思路。2、基于内源性神经电场增强Au/Pt合金纳米材料干扰神经能量代谢策略,用于癫痫的高效治疗。癫痫作为一种常见的神经系统疾病,以脑神经元异常放电为显著特征。癫痫发作过程中,神经元异常超同步化的电活动带来的兴奋性中毒,将诱导神经元细胞死亡;其中,细胞糖酵解过程将大脑主要能量来源葡萄糖转化为丙酮酸并产生ATP,为癫痫引起的高强度神经电活动提供能量。基于此,本研究设计制备了Au/Pt合金纳米材料,利用内源性电场增强Au/Pt干扰能量代谢策略,用于癫痫的高效治疗。其中,(1)Au具有催化葡萄糖转化为葡萄糖酸和过氧化氢(H2O2)的功能,Pt具有催化分解H2O2的功能,二者复合形成合金结构可以发生级联反应,高效催化葡萄糖为葡萄糖酸且无有害产物生成;(2)由于两种金属间存在功函数差异(Au的功函数为5.54 e V,Pt的功函数6.13 e V),Au表面电子将向Pt表面偏移,电子偏移效应将显著增强Au催化葡萄糖氧化和Pt催化H2O2分解;(3)癫痫异常放电产生的电场,也可增强Au/Pt NPs催化氧化葡萄糖,进而影响癫痫病灶区神经元的能量代谢,抑制了异常放电引起的神经元兴奋性中毒,实现了癫痫高效治疗。该工作不仅为从能量代谢角度解决癫痫异常放电中兴奋性中毒的研究提供了新思路,也为从高催化活性纳米材料与生物体内源性能量场相结合角度研发神经疾病治疗新策略提供借鉴性研究方法。
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