针对上述问题，南开大学齐迹、中国医学科学院肿瘤医院金旭、中国医学科学院生物医学工程研究所李稳团队提出了一种新型的多模态纳米治疗平台，旨在同时针对TBI后NVU损伤的多个关键病理事件。该纳米药物将超小尺寸的氧化铈纳米颗粒（Ce NPs）和IRAK4 siRNA整合到一个ROS响应型聚合物基质中，并用中性粒细胞膜进行包裹，以实现炎症靶向。在损伤部位，这种纳米药物能够根据需求释放药物，发挥协同治疗作用。具体而言，Ce NPs能够催化清除ROS并生成氧气，减轻氧化应激和缺氧，促进血脑屏障的修复、周细胞修复和脑血流改善；同时，IRAK4 siRNA能够下调促炎信号通路，将小胶质细胞重编程为抗炎表型。该文章于2025年9月24日以《Multimodal Nanoregulator Rescues Impaired Neurovascular Units to Attenuate Secondary Injury Following Traumatic Brain Injury》为题发表于《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202509444）。

方案1. 多模态纳米药物Ce-siIRAK4@NM NPs的构建及其靶向NVU损伤、减轻继发性TBI损伤的示意图

（1）基于GEO数据库的TBI后NVU损伤机制分析

鉴于缺血/缺氧、ROS产生及持续免疫激活和炎症在NVU损伤及继发性脑损伤加重中的潜在作用，分析了公开可用的TBI脑组织单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据集以阐明其对NVU损伤病因学的贡献。基于特定分子标记将NVU内细胞群注释分类为周细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞和神经元等关键细胞类型。差异分析和功能评分显示，TBI脑组织中的上述细胞与正常脑组织对应细胞相比均表现出升高的ROS评分和炎症水平，其中周细胞还显示高缺氧评分。GO和KEGG功能富集分析显示，TBI损伤组织中小胶质细胞、星形胶质细胞和周细胞的免疫应答显著增强，中性粒细胞趋化、Toll样及IL-1信号通路等相关通路显著富集。GSEA进一步证实这些观察，揭示TBI后小胶质细胞、星形胶质细胞和周细胞中ROS产生、缺氧、糖酵解、凋亡和先天性免疫激活相关基因及通路显著上调。这些发现共同强调，TBI后半暗带的病理生理机制主要由缺氧、ROS产生和失调的免疫激活驱动，最终导致神经元损伤并引发神经退行性改变。因此，缓解缺氧、清除ROS和抑制异常免疫激活的策略有望保护NVU并治疗继发性脑损伤。

图1. TBI后NVU损伤病理生理学分析。A）UMAP无监督聚类揭示健康与TBI小鼠皮层十二个细胞簇；B–E）TBI组周细胞、小胶质细胞、星形胶质细胞和神经元缺氧、ROS及炎症DEG评分；F）小胶质细胞GO富集分析（n=3）；G）小胶质细胞DEGs火山图；H–J）小胶质细胞缺氧、糖酵解及炎症通路GSEA。***p<<0.001。

（2）ROS清除性siRNA纳米药物的合成与表征

（3）Ce-siIRAK4@NM NPs的体外靶向能力

血脑屏障（BBB）有效阻挡RNA等生物大分子进入中枢神经系统。TBI后，BBB内皮细胞被促炎因子激活，上调粘附分子表达，促进中性粒细胞跨越BBB并向损伤部位招募。研究团队利用这一内在归巢机制设计中性粒细胞模拟的Ce-siIRAK4@NM NPs。细胞相容性实验显示，该NPs在BV-2小胶质细胞、HT-22海马神经元及原代细胞中均表现出可忽略的毒性。体外BBB模型（bEnd.3细胞接种于Transwell上室，BV-2细胞培养于下室，LPS诱导炎症）评估表明：裸Ce-siIRAK4 NPs的BBB穿透有限，而Ce-siIRAK4@NM NPs组BV-2细胞内荧光显著增强，定量分析显示其跨越BBB并进入炎症脑细胞的量约为裸NPs组的五倍，证实中性粒细胞膜包覆显著增强了BBB通透性及炎症靶向能力。

图3. 体外评估抗ROS、促血管生成、抗炎和神经保护效应。A）Transwell模型评估BBB穿透与炎症靶向示意图。B–C）健康/炎症条件下BV-2细胞对NPs的摄取及MFI定量。D–E）各组BV-2细胞ROS水平及定量。F–G）bEnd.3细胞形态及分支间隔定量。H）IRAK4蛋白相对表达。I–L）炎症因子及IL-10水平。M–P）M1/M2型BV-2细胞流式定量。Q–R）神经元树突长度及定量。n=3或5，**p<<0.001，****p<<0.0001。

（4）Ce-siIRAK4@NM NPs跨越BBB并蓄积于脑损伤部位

在体外验证Ce-siIRAK4@NM NPs的生物学功能后，进一步通过weight-drop法建立小鼠TBI模型（bregma旁≈2 mm处5 mm开颅，40 g重物从5 cm高度坠落），并经组织学分析和改良神经功能缺损评分（mNSS）确认模型成功。尾静脉注射Cy5标记NPs后，活体成像（IVIS）显示TBI小鼠脑内荧光呈时间依赖性增加，≈6 h达峰值，Ce-siIRAK4@NM NPs组脑内荧光信号约为裸NPs组的2.5倍，且48 h仍维持 sustained 信号，表明NM包覆显著增强病灶蓄积。注射后6 h的IVIS Spectrum CT三维成像进一步证实：裸Ce-siIRAK4 NPs在损伤脑区蓄积有限（可能由BBB破坏后的被动穿透所致），而Ce-siIRAK4@NM NPs在损伤部位显示显著增强的荧光强度和蓄积，与2D结果一致，充分验证其跨越BBB并靶向TBI损伤的能力。

图4. TBI小鼠NP脑蓄积与生物分布评估。A）TBI模型建立及IVIS评估示意图。B–C）尾静脉注射后不同时间点Cy5标记NPs的脑内荧光信号及定量。D）静脉注射6 h后NPs信号的3D光学断层重建与CT融合成像。n=3，**p<<0.001。

（5）Ce-siIRAK4@NM NPs恢复BBB完整性并改善TBI后周细胞功能障碍

在第0、1、2天分别给予TBI小鼠Ce NPs、Ce-siIRAK4 NPs或Ce-siIRAK4@NM NPs，评估其治疗效果。第3天Evans blue外渗实验显示，TBI模型小鼠BBB破坏显著，而Ce-siIRAK4@NM NPs组脑EB外渗较其他处理显著降低，表明其有效缓解BBB渗漏。该NPs利用中性粒细胞膜表面的粘附配体，通过ICAM-1等分子主动结合炎症内皮并迁移入脑。机制研究表明，Ce-siIRAK4@NM NPs通过substantial抗氧化活性降低脑组织ROS水平，Western blot证实其显著上调Occludin、ZO-1、Claudin-5和VE-cadherin等紧密连接蛋白表达；同时，免疫荧光显示该处理显著增强毛细血管周围周细胞覆盖（恢复至假手术组的86.05%），有效缓解TBI后周细胞丢失。总之，Ce-siIRAK4@NM NPs通过促进紧密连接修复和缓解周细胞丢失，恢复BBB完整性与功能。

图5. TBI中BBB完整性与周细胞功能障碍治疗疗效评估。A）处理流程示意图。B）EB渗透实验评估BBB损伤及脑组织EB含量定量。C–D）脑切片ROS荧光染色及定量。E–I）关键连接蛋白Western blot及定量。J–K）PDGFRβ⁺周细胞覆盖共聚焦图像及定量。n=3或5，p<<0.05，p<<0.01，p<<0.001，****p<<0.0001。

（6）Ce-siIRAK4@NM NPs治疗缓解脑水肿并增强脑血流恢复

确认Ce-siIRAK4@NM NPs促进BBB修复后，研究团队评估其缓解脑水肿的效果。TBI模型组脑湿/干比显著升高，而Ce-siIRAK4@NM NPs处理组该比值最低；MRI显示其将水肿体积从17.17±0.85 mm³降至3.72±0.85 mm³。DWI测得模型组ADC值（0.32±0.03×10⁻³ mm²/s）显著低于假手术组（1.04±0.08×10⁻³ mm²/s），提示细胞毒性水肿占主导，而Ce-siIRAK4@NM NPs有效将其恢复至0.83±0.06×10⁻³ mm²/s。SWI显示TBI组存在明显微血管损伤低信号，该处理组SWI信号值最高，有效减轻血管损伤并减少微出血。激光散斑成像进一步证实，Ce-siIRAK4@NM NPs在TBI后72 h内实现最显著的脑血流改善，与其诱导的局部氧气生成共同促进组织缺血缓解。

图6. 缓解脑水肿和促进脑血流恢复的治疗效应评估。A–B）各组T2加权MRI及高信号区域体积定量。C–D）DWI MRI及ADC信号定量。E）SWI MRI图像（红色箭头指示损伤病灶）。F–G）激光散斑图像及损伤区域平均脑血流定量（红色圆圈标记）。n=3，p<<0.01，p<<0.001，***p<<0.0001。

（7）Ce-siIRAK4@NM NPs调控TBI后炎症级联并减少神经元丢失

过度神经炎症和免疫激活是TBI后继发性脑损伤的主要促成因素。通过抗ROS和IRAK4沉默纳米制剂，进一步研究了Ce-siIRAK4@NM NPs的抗炎和免疫调节效应。Western blotting显示，该处理显著降低脑组织IRAK4蛋白水平，凸显其potent的原位IRAK4沉默能力。GFAP和Iba1染色表明，Ce-siIRAK4@NM NPs有效缓解TBI小鼠皮层、海马及丘脑区域的星形胶质细胞增生和小胶质细胞过度激活；ELISA证实其显著降低促炎因子（TNF-α、IL-6、IL-1β）水平并升高抗炎因子IL-10。H&E染色显示病灶体积显著减少，TUNEL染色表明凋亡细胞数量显著降低，提供substantial神经保护。RNA-seq分析显示2867个基因上调、1260个基因下调，KEGG富集分析表明免疫应答、血管新生等通路与治疗效果strongly相关；具体表现为促炎基因（Vegfa、IL-15）表达降低，炎症消退基因（Chil3、Stat3、Tgfb1、Ccl22、IL-10）及抗氧化基因（Msrb1、Sod1-3、Gpx4、Gsr、Hp）显著上调，突触可塑性相关基因（IL-33、Hk2、Adamts9）表达升高。这些发现提示Ce-siIRAK4@NM NPs通过减轻炎症反应和氧化应激发挥神经保护作用。

图7. 抑制炎症级联和减少神经元丢失的治疗效应评估。A–B）IRAK4蛋白Western blot及定量。C–I）GFAP和Iba-1免疫荧光染色及皮层、CA1、DG区域荧光强度定量。J–M）炎症因子及IL-10 ELISA分析。N）H&E染色。O–P）TUNEL染色及阳性细胞定量。Q）GO通路富集分析。R–S）炎症消退、突触可塑性及神经再生相关DEGs热图。n=3或5，p<<0.05，p<<0.01，p<<0.001。

（8）Ce-siIRAK4@NM NPs增强TBI小鼠的神经功能恢复

除运动功能和认知恢复外，进一步评估Ce-siIRAK4@NM NPs对TBI后神经电生理活动的影响。使用电皮层图（ECoG）记录评估睡眠纺锤波活动和癫痫样放电：TBI后PBS组小鼠损伤同侧半球睡眠纺锤波显著减少，而Ce-siIRAK4@NM NPs处理有效将其恢复至接近正常水平；同时该处理组较PBS组癫痫样放电marked减少，提示其不仅促进睡眠纺锤波恢复，还缓解神经元过度兴奋性。这些结果highlight TBI诱导的皮层-丘脑回路功能significant损害及睡眠纺锤波生成破坏，而Ce-siIRAK4@NM NPs缓解这些脑电生理异常，为改善TBI后神经元网络活动提供了潜在新型治疗策略。

图8. TBI后神经功能恢复评估。A）实验流程示意图。B）各组第1、4、7、14天mNSS评分。C）第14天wire hang掉落潜伏期。D–G）Morris水迷宫轨迹、逃避平台距离、穿越次数及平台象限停留时间。H–I）Golgi染色树突棘密度及数量定量。J–K）神经元树突形态及Sholl分析。n=3或5，p<<0.05，p<<0.01，p<<0.001。

（9）Ce-siIRAK4@NM NPs逆转TBI诱导的睡眠纺锤波破坏并减少局灶性癫痫样放电

除运动功能和认知恢复外，研究团队进一步评估Ce-siIRAK4@NM NPs对TBI后神经电生理活动的影响。使用电皮层图（ECoG）记录评估不同处理组小鼠的睡眠纺锤波活动和癫痫样放电。睡眠纺锤波是NREM睡眠期间丘脑-皮层回路产生的特征性振荡活动，对睡眠稳定性和记忆巩固至关重要。TBI后，PBS处理组小鼠表现显著的睡眠纺锤波减少，特别是在损伤同侧半球。Ce-siIRAK4@NM NPs处理有效将睡眠纺锤波活动恢复至接近正常水平。此外，Ce-siIRAK4@NM NPs处理小鼠较PBS处理的TBI组表现癫痫样放电的 marked 减少。这一发现提示该治疗不仅促进睡眠纺锤波恢复，还缓解神经元过度兴奋性，从而减少癫痫样事件的发生。这些结果highlight TBI诱导的皮层-丘脑回路功能significant损害及睡眠纺锤波生成破坏，而Ce-siIRAK4@NM NPs通过缓解脑电生理异常，为改善TBI后神经元网络活动提供了潜在新型治疗策略。

图9. 逆转TBI诱导睡眠纺锤波破坏和减少局灶性癫痫样放电。A–E）第22天ECoG记录（BP 8–15 Hz），蓝线指示睡眠纺锤波，箭头示癫痫样放电。F）12 h内同侧/对侧纺锤波计数比值（mean±SEM，n=4，Mann-Whitney U检验）。G–H）纺锤波密度及持续时间（Kruskal-Wallis检验）。I–M）癫痫样放电检测。N）12 h内放电数量。n=4，*p<<0.05，**p<<0.001。

（10）体内生物相容性评价

通过改良反胶束法合成水动力直径≈10 nm的超小铈纳米点（Ce NPs），TEM显示其均匀分布且粒径≈3 nm。将Ce NPs和IRAK-4 siRNA封装于基于PPADT的ROS敏感性聚合物载体中，借助阳离子脂质DOTAP制备Ce-siIRAK4 NPs，并进一步包覆中性粒细胞来源的细胞膜以增强对炎症脑组织的亲和力。DLS和TEM证实膜包覆后NPs呈核壳结构，平均直径增至137 nm，zeta电位由−23 mV变为−40.6 mV，SDS-PAGE显示蛋白组成与中性粒细胞膜高度一致，Ce NPs和siRNA包封效率分别约为83%和85%。该纳米制剂在PBS中7天保持稳定，且能有效保护siRNA免受血清核酸酶降解。到达ROS富集的TBI损伤微环境后，NPs解体并释放Ce NPs和siRNA-脂质复合物，ROS暴露24 h时siRNA释放量比对照组高约6.5倍。XPS分析显示Ce³⁺/Ce⁴⁺混合价态赋予其SOD-、CAT-和GPx-模拟活性，可高效清除O₂•⁻和H₂O₂、缓解缺氧并减少神经元损伤，实现催化和免疫调节的协同治疗。