影响认知功能的精神和神经系统疾病，如抑郁症、精神分裂症、ADHD、帕金森病和各种形式的痴呆症，通常与中枢神经系统中多巴胺等儿茶酚胺的缺乏有关。

聚多巴胺纳米颗粒（PDA NPs）作为一种新型药物输送系统，具有优良的生物相容性、稳定性和多样化的修饰能力。以往研究证实，PDA NPs能有效通过血脑屏障，并在牙周炎、缺血性中风、结肠炎及与炎症相关的抑郁症等疾病中展现出良好疗效，其主要源于分子结构中丰富的酚羟基所具备的自由基清除能力。

郑州大学第一附属医院麻醉与围手术期医学部杨建军团队在Theranostics（影响因子13.3）发表了题为“Polydopamine nanoparticles restore cognition via targeted dopamine delivery and septo-hippocampal cholinergic activation”的研究论文。该研究发现，PDA NPs通过内吞作用可以穿过血脑屏障。在酸性环境中，它们会分解并释放多巴胺。在体内，这种物质被内皮细胞和神经细胞摄取，随后转化为下游的儿茶酚胺。在认知障碍小鼠模型中，PDA NPs治疗完全恢复了Y型迷宫和新物体识别测试中的表现。

机制研究进一步发现，短期给药会提高海马体中的多巴胺、去甲肾上腺素和酪氨酸水平，而长期治疗则显著提高海马体中乙酰胆碱的水平。这种长期的胆碱能增强可能是由内侧隔阂核团中的DA D2受体信号介导的内侧隔阂至海马的投射实现的。

该项研究表明，PDA NPs可以作为一种有效的、无需载体的靶向多巴胺递送的药物，不仅可以补充儿茶酚胺，还可以激活胆碱能环路来改善认知障碍。

文章通过盐酸多巴胺的氧化自聚合反应制备了PDA NPs。并通过实验证实了PDA NPs成功合成，具有良好的生物相容性。通过细胞实验、动物活体成像等技术探讨了PDA NPs穿透血脑屏障的效果（图1）。这些发现表明PDA NPs能够穿过血脑屏障并进入大脑。

图1 PDA NPs的制备及其血脑屏障渗透性

为了进一步测试在酸性环境中PDA的分解及产物释放情况，研究通过紫外-可见光谱测试发现，PDA NPs在酸性盐酸介质中可以缓慢降解。高效液相色谱分析进一步表明，PDA NPs的降解与黑色素类似，可分解为天然存在的分子（如DA和酪氨酸）。并且PDA NPs在降解过程中主要通过内部凝聚成更小的颗粒，缓慢脱落分解（图2）。总之，在酸性条件下，PDA NPs释放多巴胺并形成更小的颗粒，同时仍保持其球形的完整性。

图2 PDA NPs在酸性环境中释放出小颗粒和DA，并能够穿透细胞壁，随后释放出DA和NE

为评估PDA NPs对认知障碍的潜在作用，研究进一步建立了脂多糖（LPS）诱导的小鼠认知障碍模型，发现小剂量的PDA NPs就可以减轻LPS引起的认知缺陷。为确认这些认知能力的提升是否与儿茶酚胺水平相关，研究对小鼠海马组织进行了靶向代谢组学分析。在监测的31种代谢物中，有14种与儿茶酚胺系统有关。排名前四的分别是3-甲氧基酪胺、去甲肾上腺素、酪氨酸和3，4-二羟基苯乙酸的差异代谢物在PDA NPs注射组都表现出显著的升高。研究另外对海马区酪氨酸羟化酶（TH）阳性神经元的定量显示，儿茶酚胺的升高是由于PDA NPs所致，而非内源性合成的增加。总的来说，这些研究结果表明，PDA NPs通过提高DA和NE水平来改LPS诱导的小鼠的认知缺陷，为外源性多巴胺补充提供了一种有前景的策略。

图3 PDA NPs通过提高多巴胺类神经递质的水平，缓解了脂多糖诱导小鼠的认知障碍

虽然PDA NPs在短期内能提高儿茶酚胺水平并改善认知功能，但其长期影响尚不明确。为了探究这一问题，研究对注射后9天接受PBS或PDA NPs处理的小鼠海马组织进行了非靶向代谢组学分析。通过超高效液相色谱-串联质谱法（UPLC-MS/MS），PDA NPs治疗组的小鼠，有12种代谢物水平升高，10种降低，其中9种代谢物在各组间表现出一致的趋势。值得注意的是，PDA NPs组的海马体中乙酰胆碱（Ach）水平均显著升高。整体结果表明PDA NPs可能增强整体大脑代谢。

进一步通过微透析实验监测PDA NPs注射后海马中儿茶酚胺类和乙酰胆碱神经递质的变化，结果发现注射后第4天，PDA 组DA、NE、酪氨酸水平较 PBS 组显著升高，与前期靶向代谢组学结果一致；ACh 水平虽有上升趋势，但未达到统计学显著性，说明 PDA NPs 短期主要发挥补充儿茶酚胺的作用。而到第9天，ACh 水平在 PDA 组中显著高于 PBS 组，呈现持续性升高，是长期最核心的神经递质变化；DA、酪氨酸水平仅轻微升高（无显著差异），NE 水平反而低于 PBS 组。PDA NPs 对海马体 ACh 的长期增强效应与儿茶酚胺水平无直接关联，提示其存在独立于儿茶酚胺的胆碱能系统激活机制，为后续研究中隔核（MS）- 海马胆碱能投射及 DA D2 受体介导的信号通路提供了关键科学问题。（图4）。

图4 PDA NPs使海马体中乙酰胆碱水平的升高

由于海马体缺乏胆碱能神经元，并且其通过源自中隔核（MS）的胆碱能投射接收ACh，因此研究探究了PDA NPs是否能激活中隔核的胆碱能神经元。实验结果表明：PDA NPs组在注射第9天中隔核区域乙酰胆碱能阳性神经元数量显著增加。进一步，采用化学遗传学方法，小鼠在中隔核接受hM4Di-DIO-mCherry或DIO-mCherry药物处理，同时在海马体接受retro-ChAT-CRE药物处理，然后在进行生化分析前皮下注射CNO。结果发现：选择性地抑制中隔核投射至海马体的乙酰胆碱能神经元则会拮抗PDA NPs激活的中隔核投射至海马体的阳性乙酰胆碱能神经元的数量。这些结果有力地表明，PDA NPs治疗后海马体中乙酰胆碱含量的增加主要是由于海马体与大脑皮层之间的神经突触连接（即MS-海马体投射）的激活所致（图5）。

图5 PDA NPs激活MS到海马的神经投射

鉴于DA D2受体mRNA在MS区域的特定表达情况，接下来研究了海马中ACh水平的升高是否是由DA D2受体介导的。通过脑区埋置给药套管，分别注射拉克洛普啶（DA D2受体拮抗剂）、SCH23390（DA D1受体拮抗剂）、PBS。结果表明DA D2受体拮抗剂降低了PDA NPs增强的ACh合成。

为了确定PDA NPs带来的行为改善是否由DA D2受体介导，研究又进一步建立了认知障碍小鼠模型，行为学表明DA D2拮抗剂抵消了PDA NPs改善认知行为的有效性，这表明多巴胺D2受体在认知改善中起着关键作用。此外，DA D2拮抗剂也可显著减少MS中乙酰胆碱能神经元激活的数量。这些发现表明PDA NPs通过DA D2受体途径选择性地激活从MS到海马的胆碱能神经传递，从而增强小鼠的长期认知功能。

图6 PDA NPs通过DA D2受体激活MS到海马的神经投射

结论与讨论

本研究表明，PDA NPs能够有效穿过血脑屏障并释放多巴胺，从而改善LPS处理小鼠的认知缺陷。短期内，PDA NPs会提高海马体中的多巴胺水平，而长期治疗则通过激活由DA D2受体介导的中隔-海马胆碱能投射来增强海马体中的乙酰胆碱水平（图7）。这些发现使PDA NPs成为治疗与精神和神经疾病相关的认知障碍的一种有前景的纳米治疗策略。

图7 PDA NPs对认知功能产生有益影响的潜在机制

原文链接：https://www.thno.org/v16p3616.htm

实验拓展

本文的核心发现是 PDA NPs短期直接释放 DA 补充儿茶酚胺，长期通过 DA 激活 D2 受体介导胆碱能环路，且明确了 DA 是 “连接短期和长期效应的关键信号分子”。

表明多巴胺不仅直接参与神经递质补充，还可能作为信号分子激活下游胆碱能环路，这一动态过程依赖于多巴胺实时监测，而非单一时间点的静态测量。通过靶向代谢组学分析，研究还明确了多巴胺水平的升高源自PDA NPs的降解释放，证实外源性多巴胺补充策略的可行性。而当前研究主要通过离体组织样本进行代谢组学分析，虽能揭示多巴胺及其代谢物的含量变化，但无法捕捉其在活体状态下的实时动态变化。若将活体脑化学物质实时分析系统应用于该项研究中，将为研究打开全新的实验思路。

1.实现多巴胺的实时动态监测

活体脑化学物质实时分析系统能够实时检测清醒自由活动动物在体多巴胺动态变化，在行为学测试过程中（如Y迷宫）可同步监测海马或中隔核区域的多巴胺浓度变化，揭示其瞬时释放特征。这有助于明确PDA NPs是否在特定认知任务中增强多巴胺能响应，从而更精准地解析其行为学效应的神经化学基础。

2.揭示PDA NPs降解与多巴胺释放的时序关系

PDA NPs在细胞内酸性环境中逐步降解并释放多巴胺，这一过程在离体实验中难以精确追踪其连续性数据，无法忽略内源性合成而直观表达“释放-多巴胺水平升高”之间的根本关联。通过植入多巴胺电极可实时监测多巴胺及其代谢产物的浓度变化曲线，明确其释放动力学特征（如峰值时间、持续时间、代谢速率），为药效判断提供更直接依据。

3.关联神经化学动态与行为表现

活体脑化学物质实时分析系统能够将多巴胺浓度的瞬时波动与动物的行为表现（如探索时间、辨别指数）进行实时关联分析，揭示神经化学变化与认知功能之间的因果联系。例如，是否在特定行为阶段出现多巴胺释放高峰，以及该高峰是否与任务完成质量正相关。

4.减少个体差异与样本损耗

活体脑化学物质实时分析系统允许在同一动物中多次、长期监测，提高数据的连续性和可靠性，同时减少动物使用数量。

综上所述，多巴胺检测在本研究中不仅是验证PDA NPs功能的核心手段，也是揭示其短期与长期神经调控机制的关键切入点。将活体脑化学物质实时分析系统与该研究相结合，将极大提升研究的时间分辨率与机制解释力，有助于药理学研究，也为探索神经精神疾病中认知功能障碍的干预靶点提供了新的实验范式。