负载静电自组装纳米结构颗粒的可注射水凝胶通过调节肠道菌群和免疫反应治疗炎症性肠病

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Injectable hydrogel loaded with electrostatic self-assembled structure nanoparticles for the treatment of inflammatory bowel disease

本文针对炎症性肠病(IBD)治疗中药物生物利用度低、靶向性差等难题，研究人员开发了一种负载姜黄素(Cur)和锌普鲁士蓝类似物(ZnPBA)的静电自组装可注射水凝胶(CZ@ZS)。该研究通过体外和体内实验证实，CZ@ZS具有pH响应性释药特性，能有效清除活性氧(ROS)，调节巨噬细胞M1/M2极化，并通过NF-κB信号通路减轻肠道炎症，同时显著增加双歧杆菌和乳杆菌等有益菌群。这项研究为IBD治疗提供了新型纳米平台，具有重要临床转化价值。

　　

在消化系统疾病领域，炎症性肠病(IBD)犹如一个顽固的对手，其发病率在全球范围内呈持续上升趋势。这种慢性肠道炎症性疾病主要包括克罗恩病和溃疡性结肠炎(UC)，患者不仅需要忍受腹痛、腹泻、便血等症状的困扰，还面临着肠道梗阻、营养不良甚至癌变的风险。尽管现有治疗方案包括抗炎药物、免疫抑制剂和生物制剂，但仍有相当比例的患者无法获得理想疗效，同时还需承受肝毒性、免疫力下降等副作用。更为棘手的是，传统治疗方法往往忽视了肠道微生态平衡的重要性，而肠道菌群失调正是IBD发生发展的关键因素之一。

在这一背景下，科学家们将目光投向了纳米技术领域。近期发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》的研究展示了一种创新性治疗策略——通过构建智能纳米药物递送系统，实现IBD的精准治疗。该研究团队巧妙地将天然活性成分姜黄素(Cur)与具有多种酶活性的锌普鲁士蓝类似物(ZnPBA)相结合，利用层层静电自组装技术构建了核壳结构纳米颗粒，并进一步将其封装于海藻酸钠(SA)水凝胶中，形成了具有结肠靶向功能的可注射水凝胶(CZ@ZS)。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：通过层层静电自组装技术构建载药纳米颗粒；利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征材料特性；通过体外抗氧化实验评估活性氧(ROS)清除能力；建立DSS诱导的小鼠结肠炎模型进行体内疗效评价；采用16S rRNA测序分析肠道菌群变化。

3.1 CZ@Z微球的设计、合成与表征

研究人员成功制备了以Cur-ZnPBA为内核、玉米蛋白(zein)为外壳的核壳结构纳米颗粒(CZ@Z)。透射电镜显示该结构具有清晰的界面，晶格间距为0.347 nm，对应于ZnPBA的(125)晶面。Zeta电位分析表明，负载zein后颗粒表面电荷由负转正，利于后续与带负电的SA结合。元素分布 mapping显示Fe、Zn、C、O元素均匀分布，证明材料合成成功。

3.2 CZ@ZS的形态、可注射性和流变学特性

将CZ@Z与SA结合后形成的可注射水凝胶呈现疏松的大孔结构，具有良好的可注射性。由于SA的负电特性，CZ@ZS整体带负电，有助于靶向结合带正电的肠道炎症上皮。体外释药实验表明，该水凝胶在模拟结肠液(pH=7.4)中释放效果最佳，而在胃液(pH=2-3)和小肠液(pH=5-6)中释放受到抑制，显示出良好的结肠靶向性。

3.3 CZ@ZS的体外抗氧化和抗炎作用

CZ@ZS展现出优异的活性氧清除能力，包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和羟自由基(·OH)清除活性。抗菌实验表明，CZ@Z对金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)和大肠杆菌均有显著杀菌效果，其机制与增加细菌膜通透性、导致蛋白泄漏有关。

3.4 体外生物相容性、抗炎作用及胃肠道滞留性

细胞毒性实验表明CZ@ZS对RAW264.7和NCM460细胞无毒性，且能促进细胞增殖。溶血实验证明其无血液毒性。抗炎机制研究发现，CZ@ZS能通过抑制NF-κB信号通路，降低诱导型一氧化氮合酶(iNOS)和CD68的表达，促进巨噬细胞由M1型向M2型转化。体内成像显示FITC标记的CZ@ZS在DSS诱导的结肠炎小鼠炎症部位有显著富集。

3.5 CZ@ZS在DSS诱导结肠炎小鼠模型中的治疗效果

动物实验表明，CZ@ZS治疗能显著改善小鼠体重减轻、疾病活动指数(DAI)和结肠缩短情况。组织学分析显示，治疗组结肠上皮完整性更好，炎症细胞浸润减少。免疫组化显示髓过氧化物酶(MPO)阳性中性粒细胞减少，增殖细胞核抗原(PCNA)表达增加，表明其具有抗炎和促进组织修复双重作用。炎症因子检测发现，CZ@ZS能显著降低肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-6(IL-6)、IL-1β和前列腺素G/H合酶2(COX-2)的表达，同时上调抗炎因子IL-10和精氨酸酶-1(Arg-1)。

3.6 16S rRNA测序分析CZ@ZS调控的肠道菌群

肠道菌群分析显示，CZ@ZS能显著增加微生物群落丰富度和多样性。在属水平上，乳酸杆菌和双歧杆菌等有益菌群丰度增加，而通常富集于IBD患者结肠中的消化链球菌科细菌丰度降低。功能分析表明，CZ@ZS能调控细胞运动、碳水化合物代谢和氨基酸代谢等多条通路。

该研究通过创新性地结合普鲁士蓝类似物纳米酶、姜黄素、锌离子、玉米蛋白和海藻酸钠，构建了一种具有结肠靶向功能的可注射水凝胶系统。CZ@ZS不仅提高了姜黄素的生物利用度，还通过多重机制发挥治疗作用：清除活性氧、调节免疫反应、重塑肠道菌群平衡。研究证实，这种协同治疗策略能有效缓解肠道炎症，促进组织修复，为IBD治疗提供了新思路。这种基于天然材料的纳米平台具有良好的生物相容性和安全性，具有广阔的临床转化前景。