Экзосомы, покрытые наночастицами селена, ослабили долгосрочные последствия травм ЦНС у мышей

Травматические повреждения ЦНС (черепно-мозговые травмы, травмы спинного мозга) характеризуются высокой смертностью, инвалидизацией и отсутствием эффективных методов лечения. При травме нервная ткань вначале повреждается механически, а затем в ней запускается каскад биохимических реакций, приводящий к окислительному стрессу и выбросу большого количества активных форм кислорода (АФК). Вследствие этого повреждаются ДНК, белки и липиды нервных клеток. Также возникает нейровоспаление — клетки микроглии и астроциты активируются и выделяют провоспалительные цитокины, что приводит к гибели нейронов и неврологическим нарушениям.

Для лечения и защиты нервной ткани в таких случаях можно применять экзосомы, полученные из сфероидов нейрональных стволовых клеток (NExo). Но их терапевтический потенциал недостаточен. Решение этой проблемы предложили ученые из Китая. Они модифицировали экзосомы наночастицами селена, которые обладают антиоксидантной активностью — это позволило создать комбинированный терапевтический агент SeNExo, который борется с окислительным стрессом и обладает нейропротекторным действием.

В начале исследования ученые выделили и охарактеризовали NExo. Для этого они вырастили сфероиды из нейрональных стволовых клеток мыши. Экзосомы из них выделяли методом дифференциального ультрацентрифугирования. При помощи анализа траекторий наночастиц (NTA) исследователи определили размер экзосом (около 120 нм) и их концентрацию (4×10¹¹ частиц/мл).

Исследователи выяснили, что проникновение SeNExo через гематоэнцефалический барьер опосредовано взаимодействием аполипопротеина E с рецептором LRP1 (LDL Receptor-Related Protein 1). Для оценки их распределения in vivo экзосомы метили флуоресцентным красителем AlPcS и внутривенно вводили их мышам с черепно-мозговой травмой (ЧМТ). Животные получали помеченные AlPcS липосомы (Lipo), NExo или SeNExo в дозе 1.32×10¹¹ частиц/кг на нулевой и седьмой день после травмы. Через шесть часов после введения с помощью системы визуализации IVIS авторы установили, что частицы накапливались в области травмы. При этом в острой фазе (нулевой день) там скапливались все три препарата, а на седьмой день целостность ГЭБ восстанавливалась и накопление липосом снижалось, но NExo и SeNExo продолжали активно накапливаться.

Убедившись в способности SeNExo накапливаться в месте повреждения, авторы оценили их терапевтическую эффективность на мышиной модели ЧМТ. Мышей случайным образом распределяли в группы по шесть и начиная с нулевого дня внутривенно вводили им фосфатно-солевой буфер (PBS), наночастицы селена, NExo, смесь NExo со свободными наночастицами селена или SeNExo. Доза экзосом составляла 1.32×10¹¹ частиц/кг, доза селена — 175 нмоль экв./кг. На пятой неделе провели оценку когнитивных функций мышей с помощью водного лабиринта Морриса. Оказалось, что в группе SeNExo лучше восстановилась пространственная память и способность к обучению, чем у мышей из других групп. Количество пересечений платформы и время, проведенное в целевом квадранте, в группе SeNExo были в 6.5 и 3.2 раза выше, соответственно, чем в группе PBS.

Через 28 дней после ЧМТ исследователи провели секвенирование РНК единичных ядер (snRNA-seq) более 40,000 клеток мозга мышей на платформе 10x Genomics. Биоинформатический анализ показал, что терапия SeNExo привела к значительным изменениям в транскриптоме нейронов и глии. В нейронах подавлялись гены апоптоза (Bax, Ubb) и окислительного стресса (Cst3, Acot3) и активировались гены нейропротекции (Mef2c, Tmem4). Псевдовременной анализ показал, что лечение SeNExo смещало состояние микроглии от активированного провоспалительного (89.3% клеток в группе PBS) к гомеостатическому фенотипу (9.0% в группе SeNExo в сравнении с 3.8% в контроле). Анализ межклеточной коммуникации показал, что SeNExo подавляли провоспалительные (Sema3a-Nrp1) и усиливали репаративные (Nrg1-Erbb3) лиганд-рецепторные взаимодействия между нейронами и глией.

Также авторы изучили эффективность SeNExo для лечения травм спинного мозга (ТСМ). Мышам с контузионной ТСМ (ее моделировали путем падения груза) внутривенно вводили PBS или SeNExo, а затем еженедельно на протяжении восьми недель оценивали двигательную функцию животных по шкале Бассо (BMS). На девятой неделе ученые также проанализировали походку мышей с использованием системы CatWalk XT. Животные группы SeNExo получили высокие баллы по шкале BMS (5.0 против 2.7 в группе PBS) и имели значительно лучшие параметры длинны шага, площади контакта стопы и интенсивности опоры.

Таким образом, терапия SeNExo оказалась эффективной при повреждениях ЦНС. Она улучшила когнитивные функции, привела к снижению уровня АФК и уменьшила нейровоспаление у мышей с ЧМТ, а также восстановила координацию животных, перенесших ТСМ. Такие результаты, а также высокая биосовместимость и стабильность SeNExo свидетельствуют о потенциале применения модифицированных экзосом в клинической практике. Однако еще не проведена оценка вклада отдельных компонентов SeNExo (наноселена, белков или микроРНК), которые активируют сигнальные пути, в терапевтический эффект.

Ускорить реабилитацию после травмы спинного мозга поможет малая молекула