脊髓损伤(SCI)是由各种原因引起的脊髓结构和功能损害，作为最严重的中枢神经系统（CNS）疾病之一，通常会导致不可逆的感觉和运动功能障碍，并伴随着反射活动异常及自主神经功能紊乱，同时会引发的一系列并发症，导致患者生活质量显著下降。全球现有患者超过2000万，中国现存脊髓损伤患者374万，每年新增脊髓损伤患者约9万人，脊髓损伤患者数量激增，已经成为越来越严重的社会和医疗问题。干细胞疗法被认为是SCI修复的有前景的策略，但神经干细胞（NSCs）自发分化为运动神经元的比例不足，难以形成功能性神经网络，导致SCI修复效果不佳。因此，通过调控移植的NSCs定向分化为运动神经元以实现运动功能的改善对于SCI的治疗具有重要的意义。

近期，山东大学仇吉川教授、刘宏教授、周恒星教授，济南大学董宝利教授等人报道了一种利用三氧化二铁（Fe₂O₃）纳米颗粒调节细胞内三价铁离子（Fe³⁺）浓度调控NSCs定向分化为运动神经元的方法。Fe₂O₃纳米颗粒被NSCs内吞后在溶酶体酸性环境中溶解可以提高细胞内Fe³⁺浓度，诱导29.38%的NSCs定向分化为运动神经元，并使其提前5天发育成熟。动物实验证实，将预先摄取Fe₂O₃纳米颗粒的NSCs移植到损伤部位后，能够促进SCI小鼠的运动与感觉功能恢复。该研究为优化NSCs治疗脊髓损伤的效果带来了重要前景。相关工作以“Nanoparticle-Mediated Regulation of Intracellular Ferric Ions to Induce Motor Neuron Differentiation for Spinal Cord Injury Repair”为题发表在ACS Nano期刊上。

文章要点

在这项研究中，作者首先通过透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等技术表征了Fe₂O₃纳米颗粒的尺寸和晶体结构。结果表明Fe₂O₃纳米颗粒分散性良好，平均直径约10 nm，呈γ相立方晶格结构且仅含Fe³⁺不存在Fe²⁺，可以避免由Fe²⁺引起的铁死亡风险。荧光染色和扫描电子显微镜（SEM）图像结果表明Fe₂O₃纳米颗粒被NSCs内吞后在溶酶体中滞留长达14天，并在溶酶体的酸性环境下Fe₂O₃纳米颗粒逐渐分解并持续释放Fe³⁺，提高了细胞内Fe³⁺浓度。

图1.Fe₂O₃纳米颗粒的表征及其在NSCs中的细胞相容性

接下来，作者通过基因（RT-qPCR）和蛋白水平（免疫荧光染色）的结果发现Fe₂O₃纳米颗粒显著提高了神经元特异性标记物Tuj1和MAP2的表达，而对胶质细胞标记物GFAP无显著影响，这表明Fe₂O₃纳米颗粒促进了NSCs向神经元的分化。作者又通过蛋白免疫印迹（Western blot）分析，观察到与自发分化的NSCs相比，通过Fe₂O₃纳米颗粒处理的NSCs提前5天分化为成熟神经元。 

图2. Fe₂O₃纳米颗粒分解释放的Fe³⁺促进NSCs分化的作用

作者进一步通过RT-qPCR、免疫荧光染色以及Western blot的结果发现Fe₂O₃纳米颗粒显著提高了运动神经元标记物Ngn2、HB9和ChAT的表达，并且有29.38%的NSCs定向分化为运动神经元，表明Fe₂O₃纳米颗粒能够定向诱导NSCs分化为运动神经元。随后通过mRNA测序结果对其中的潜在机制进行研究，其中Fzd9的上调激活了Wnt信号通路，进而增强靶基因Ccnd1的表达，调控运动神经元的分化。 

图3. Fe₂O₃纳米颗粒对NSCs分化为特定类型神经元的影响

随后作者建立了完全横断SCI模型，将预摄取Fe₂O₃纳米颗粒的NSCs移植到损伤部位，免疫荧光染色结果显示Tuj1和HB9阳性细胞增多，表明预摄取Fe₂O₃纳米颗粒的NSCs在体内成功存活并进一步分化为运动神经元。此外，作者通过膀胱组织的苏木精-伊红（HE）染色发现SCI小鼠的膀胱壁厚度明显增加，表明摄取Fe₂O₃纳米颗粒的NSCs移植可促进SCI小鼠自主神经恢复。

图4.移植预摄取Fe₂O₃纳米颗粒的NSCs对SCI小鼠的组织修复

作者通过行为学测试发现移植预摄取Fe₂O₃纳米颗粒的NSCs有效提高SCI小鼠的BMS评分，并通过电生理测试发现运动诱发电位（MEP）和体感诱发电位（SEP）的明显升高。上述研究结果表明移植预摄取Fe₂O₃纳米颗粒的NSCs显著提高了SCI小鼠的运动和感觉功能恢复。此外，关于心、肺、肝、肾、脾的HE染色显示Fe₂O₃纳米颗粒在体内具有良好的生物相容性。

图5.移植预摄取Fe₂O₃纳米颗粒的NSCs对SCI小鼠运动和感觉功能的影响

【结论与展望】

本研究通过Fe₂O₃纳米颗粒调控细胞内Fe³⁺浓度，成功实现了神经干细胞（NSCs）向运动神经元的定向分化，为脊髓损伤（SCI）的治疗开辟了新途径。当Fe₂O₃纳米颗粒被NSCs内吞后，会在酸性溶酶体环境中分解并释放 Fe³⁺，显著提升了神经元分化效率，定向诱导29.38%的NSCs分化为运动神经元。在SCI小鼠模型中，经Fe₂O₃纳米颗粒预处理的NSCs能显著促进运动与感觉功能恢复。这一策略的临床转化潜力值得期待——Fe₂O₃纳米颗粒已获FDA批准，其优异的生物相容性为SCI及其他神经退行性疾病的治疗提供了安全有效的手段。不过，当前研究中新生神经元的数量仍需提升。未来研究可聚焦于优化NSCs的存活率及与宿主神经网络的整合能力，以进一步增强SCI修复效果。总体而言，Fe₂O₃纳米颗粒介导的细胞内Fe³⁺传递为NSCs治疗SCI提供了一种创新且前景广阔的策略，有望在临床领域得到广泛应用。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c10725