包覆甜菜红素的纳米颗粒通过调节AChE/TNF-α/IL-1β的表达，减轻AlCl3诱导的阿尔茨海默病中的神经毒性

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Betanin-encapsulated nanoparticles mitigate neurotoxicity against AlCl 3-induced Alzheimer's disease via modulation of AChE/TNF-α/IL-1β expression

阿尔茨海默病模型中壳聚糖纳米包裹甜菜红素通过减轻氧化应激和NF-κB炎症通路改善认知功能及胆碱能神经传导。

　　

拉比娅·拉扎克（Rabbiya Razzaq）| 图基尔·艾哈迈德（Touqeer Ahmed）| 阿齐姆·梅胡德·布特（Azeem Mehmood Butt）| 扎赫拉·贾宾（Zahra Jabeen）| 艾玛·哈利德（Aaima Khalid）| 伊姆兰·沙希德（Imran Shahid）| 阿卜杜拉·R·阿尔扎赫拉尼（Abdullah R. Alzahrani）| 西德拉·雷曼（Sidra Rehman）

生物科学系，COMSATS大学伊斯兰堡分校（CUI），公园路，伊斯兰堡，45550，巴基斯坦

摘要

阿尔茨海默病（AD）是最常见的健康问题，其特征是氧化应激、神经炎症和胆碱能功能障碍，这引发了对具有更好生物利用度的天然抗氧化剂的日益关注。本研究旨在评估甜菜红素及其封装纳米颗粒（ChBetNPs）在AlCl₃和D-半乳糖诱导的大鼠模型中对神经的保护作用及其可能的机制。大鼠每天接受AlCl₃和D-半乳糖处理21天以诱导神经毒性，随后接受低剂量和高剂量的甜菜红素和ChBetNPs治疗两周。治疗结束后，评估了认知表现、氧化应激标志物、乙酰胆碱酯酶（AChE）活性以及海马区的炎症基因表达。低剂量和高剂量的ChBetNPs（分别为40 mg/kg/天和80 mg/kg/天）显著改善了AlCl₃ + D-半乳糖处理大鼠的学习和记忆表现。ChBetNPs的治疗还显著增强了抗氧化防御能力，表现为CAT活性增加（??P < 0.01）、还原型GSH水平升高以及脂质过氧化标志物MDA水平降低。高剂量的ChBetNPs对胆碱能功能产生了明显的保护作用，表现为大脑AChE活性显著降低（????P < 0.0001）。此外，无论是游离甜菜红素还是ChBetNPs，在低剂量和高剂量下均显著下调了海马区AChE、α-突触核蛋白（α-synuclein）、TNF-α和IL-1β的mRNA表达（??P < 0.01），表明它们抑制了神经炎症和蛋白质聚集相关的通路。总之，我们的研究结果表明，ChBetNPs通过减轻氧化应激及其相关的NF-κB介导的炎症反应，增强了学习、记忆和胆碱能神经传递。

引言

神经退行性疾病（NDs）是一组以神经元丢失、认知和功能下降以及最终死亡率增加为特征的进行性疾病，尤其是在老年人中[1]。神经退行性疾病是复杂的多因素疾病，表现为多种临床症状[2]、[3]、[4]。在阿尔茨海默病（AD）中，关键的病理特征包括氧化应激、线粒体功能障碍、神经炎症、胆碱能功能障碍以及异常蛋白质聚集和错误折叠，这些因素共同导致神经元逐渐丧失[3]。据报道，全球约有2400万人患有阿尔茨海默病[5]。据估计，到2050年这一数字将上升至1.07亿，其中68%的增加将发生在低收入和中等收入国家[6]。仅在巴基斯坦，患有痴呆症的人数估计在15万至20万之间[7]。全球有超过4700万人受到痴呆症的影响，该疾病的经济负担预计每年将超过1万亿美元[8]。目前，尚无治愈神经退行性疾病的方法，因此迫切需要寻找具有更好生物利用度的天然治疗方法[9,10]。

许多近期研究强调了植物活性化合物在缓解神经元功能障碍方面的治疗效果[11]、[12]、[13]、[14]。甜菜根（Beta vulgaris）因富含抗氧化剂和抗炎活性化合物而受到关注[15]、[16]、[17]。多项研究表明甜菜根及其活性化合物（如甜菜红素和甜菜碱）具有抗阿尔茨海默病的潜力[18]、[19]、[20]、[21]。有研究指出，甜菜红素还能改善小鼠的脑血流量，从而提高认知功能[22]。尽管甜菜红素具有显著的药用特性，但由于其在生理环境中的生物利用度低和稳定性差，其作为药物分子的应用受到限制[23]。多种药物（包括植物化学物质）的脑渗透性差和快速全身清除限制了它们在阿尔茨海默病治疗中的使用。

纳米技术为克服天然活性化合物的局限性提供了有希望的方法。除了提高植物活性化合物的溶解度和稳定性外，基于纳米颗粒的植物化合物递送系统还能延长其平均血液循环时间[24]。因此，将甜菜红素整合到纳米载体系统中是治疗阿尔茨海默病（AD）的合理策略。在聚合物载体中，基于壳聚糖的纳米颗粒因其黏膜粘附性、能够暂时打开紧密连接、良好的安全性以及表面功能化以实现靶向递送等优点而具有优势。这些特性促使了许多关于壳聚糖配方用于中枢神经系统（CNS）药物递送的研究[25]。鉴于甜菜红素作为神经保护剂的显著潜力以及纳米药物系统作为递送载体的优越性，本研究旨在确定封装甜菜红素的壳聚糖纳米颗粒作为治疗剂的神经保护潜力。因此，将甜菜红素与脑递送壳聚糖纳米载体系统结合使用是改善药代动力学和中心疗效的合理途径；然而，仍存在一些重要的知识空白，包括（i）甜菜红素在大脑中调节哪些细胞内信号通路（例如NF-κB通路），以及（ii）游离甜菜红素与封装甜菜红素在AD模型中的疗效比较。解决这些空白将有助于更好地理解神经保护效应的机制，并加速纳米抗氧化策略在阿尔茨海默病中的应用。

试剂

壳聚糖从Solar bio购买，脱乙酰度大于85%。三聚磷酸钠（TPP）和乙酸来自DAEJung，NaOH颗粒来自Biochem Chemopharma，HCl、碘、C₂H₅OH、石蜡、亚硫酸钠、磷酸氢钠、三氯乙酸、磷酸二钠、H₂O₂和硫代巴比妥酸来自Sigma Aldrich。总RNA纯化试剂盒（BIOTEK CORP）和Syber green来自Thermo Fischer Scientific（美国）。引物来自

甜菜红素纳米颗粒的大小和多分散性指数

ChBetNPs的尺寸为171.8 ± 4.50 nm，多分散性指数为0.45，表明其具有较宽的尺寸分布。甜菜红素纳米颗粒的ζ电位为31.3 mV，呈正极性[31]。所有理化特性已在Shafqat等人的研究中报告[31]。

逃避潜伏期

患病组在训练第五天的逃避潜伏期延长，平均约为54秒，表明其空间记忆受损。

讨论

长期以来，氧化应激和炎症被认为是包括阿尔茨海默病（AD）在内的各种认知障碍的主要因素。金属被认为会导致氧化应激引起的阿尔茨海默病，目前AlCl₃也被认为会导致类似AD的神经障碍。通过饮食和饮用水摄入AlCl₃会导致其进入血脑屏障（BBB）。AlCl₃在大脑中的积累，尤其是在海马区，会导致学习能力下降

结论

总之，我们的研究表明，ChBetNPs在AlCl₃ + D-半乳糖诱导的AD模型中有效增强了学习、记忆和胆碱能神经传递，这可能是通过减轻氧化应激和NF-κB相关的炎症反应实现的。游离甜菜红素及其壳聚糖纳米制剂均表现出神经保护潜力；然而，ChBetNPs在行为、生化和分子指标方面取得了更显著的改善。这些结果为

CRediT作者贡献声明

拉比娅·拉扎克（Rabbiya Razzaq）： 方法学、数据管理。图基尔·艾哈迈德（Touqeer Ahmed）： 验证、数据管理。阿齐姆·梅胡德·布特（Azeem Mehmood Butt）： 软件、研究、数据管理。扎赫拉·贾宾（Zahra Jabeen）： 可视化、软件。艾玛·哈利德（Aaima Khalid）： 方法学。伊姆兰·沙希德（Imran Shahid）： 可视化、资金获取。阿卜杜拉·R·阿尔扎赫拉尼（Abdullah R. Alzahrani）： 软件、正式分析。西德拉·雷曼（Sidra Rehman）： 撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。

数据可用性声明

作者确认支持本研究结果的数据包含在文章中。如需任何原始数据，可应要求提供。

资金声明

本研究未获得任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。