一种能够响应炎症的治疗性凝胶，用于精准调节结肠炎患者的微生物群

《Journal of Nanobiotechnology》：An inflammation-responsive therapeutic gel for precise microbiota modulation in colitis

肠道菌群失调是炎症性肠病（IBD）的重要特征，精准调控菌群和靶向递送药物是治疗难点。本研究开发了一种钙磷钨（CPW）凝胶，其三维纳米纤维网络结构在胃肠道中稳定超过24小时，对胃酸和消化酶具有显著抵抗性。CPW通过响应炎症标志物calprotectin（CAL）选择性释放钨离子，特异性抑制依赖硝酸盐呼吸的致病菌（如大肠杆菌和铜绿假单胞菌），同时保护益生菌（如枯草芽孢杆菌）。动物实验表明，CPW包裹的DEX（地塞米松）可显著改善结肠长度（恢复至健康对照组水平），降低IL-1β、IL-6和TNF-α等促炎因子2.1-3.3倍，并促进claudin-5、occludin等紧密连接蛋白表达，修复肠道屏障。钨离子释放具有时空特异性，通过calprotectin介导的钙离子剥夺机制实现精准定位，使肾脏钨暴露降低62.7%，肠道局部浓度提高1.67倍。16S rRNA测序显示CPW治疗显著恢复菌群多样性，抑制Enterobacterales科，促进Lachnospiraceae等有益菌增殖。该平台首次将金属离子疗法与炎症响应型药物递送结合，为IBD治疗提供了高特异性、低系统毒性的解决方案。

　　近年来，炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）作为一种与肠道微生物群失衡密切相关的重要疾病，其发病率和患病率显著上升。IBD主要包括溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）和克罗恩病（Crohn’s Disease, CD），其核心特征是肠黏膜的持续性炎症以及肠道屏障功能的异常。尽管IBD的具体发病机制尚未完全明确，但越来越多的研究表明，肠道微生物群的失调在其中扮演了关键角色。正常共生菌群在维持宿主生理功能方面具有重要作用，其破坏可能导致肠道黏膜损伤、细菌入侵以及异常免疫反应，这些都与IBD的发展密切相关。因此，通过调控肠道微生物群来治疗IBD成为当前研究的热点。

然而，目前针对IBD的治疗手段存在诸多局限。例如，抗生素虽然能够有效抑制肠道病原菌，但其广谱抗菌特性往往会对有益菌群造成损害，进而引发肠道敏感性增加、耐药性产生和免疫功能紊乱等问题。因此，开发一种能够选择性靶向病原菌而不影响共生菌的治疗策略具有重要的临床意义。与此同时，传统药物在口服过程中常常面临胃肠道环境的挑战，如胃酸和消化酶的侵蚀，导致药物提前释放或失效，从而影响治疗效果。此外，药物的全身暴露也可能引发不必要的副作用，限制了其在复杂疾病中的应用。

基于上述背景，研究人员开发了一种新型的钙磷钨酸盐凝胶（Calcium Phosphotungstate Gel, CPW），该凝胶具有独特的结构和功能特性，能够有效应对上述问题。CPW由扭曲的纳米纤维组成，纤维长度超过5微米，直径约为20纳米，形成稳定的三维网络结构。这种结构不仅赋予其优异的机械性能，还使其在胃肠道环境中保持结构完整，至少能够维持24小时以上的稳定性。更重要的是，CPW在炎症微环境中表现出对特定炎症标志物——钙保护素（Calprotectin, CAL）的高度响应性。在CAL存在的情况下，CPW可以迅速解离，释放出其中的钨元素，释放效率高达54%以上，而无CAL时释放率则低于6%。这种炎症触发的药物释放机制，使得CPW能够在炎症部位实现精准的药物释放，避免了药物在正常组织中的非靶向分布。

钨元素作为一种与钼相似的金属元素，能够竞争性地占据某些酶的活性位点，从而抑制其功能。在IBD治疗中，一些病原菌依赖钼辅因子进行硝酸盐呼吸，这种代谢过程是其在低氧环境下维持生存和增殖的重要机制。因此，通过干扰这些病原菌的代谢路径，可以有效抑制其活性。实验表明，CPW释放的钨离子能够特异性地抑制硝酸盐呼吸酶，进而诱导约50%的依赖硝酸盐呼吸的病原菌发生凋亡。与此同时，CPW对钼辅因子缺乏的益生菌几乎没有影响，从而实现了对病原菌的精准打击，同时保护了有益菌群，为肠道微生物群的调控提供了新的思路。

除了对病原菌的靶向抑制，CPW还展现出了作为多功能药物载体的潜力。它能够有效保护多种药物成分，包括小分子药物、肽类和核酸类药物，使其免受胃酸和消化酶的降解。这种保护作用不仅提高了药物的稳定性，还确保了其在肠道中精准释放，从而增强了治疗效果。例如，实验中使用的3,3’-二辛基氧杂羰酸酯（DIO）是一种疏水性小分子药物，在CPW中包裹后，其释放仅在CAL刺激下发生，而在模拟胃液或肠道液中保持稳定。此外，肽类药物如Tuftsin（TF）在CPW中的包裹也显著提高了其在胃肠道中的稳定性，实验结果显示，在模拟胃液和肠道液中，TF的残留量比未包裹时高出2.8倍以上。同时，TF的生物活性在CPW中也得到了保留，其对巨噬细胞的刺激作用未受到明显影响，表明CPW在保护生物活性分子方面具有显著优势。

核酸类药物如反义寡核苷酸（anti-Bcl2）在口服过程中极易被核酸酶降解，因此其有效递送面临巨大挑战。CPW的包裹显著提高了这些核酸药物的稳定性，实验表明，即使在含有DNA酶和RNA酶的模拟消化液中，CPW包裹的anti-Bcl2仍然能够保持较高的活性。此外，其释放过程同样受到CAL的调控，确保药物仅在炎症部位释放，从而提高治疗的靶向性。这一特性使得CPW成为一种理想的药物载体，能够同时实现对多种药物的保护和精准释放。

在体内实验中，研究人员通过将CPW包裹的药物（如DEX@CPW）口服给DSS诱导的结肠炎小鼠模型，评估其治疗效果。结果表明，CPW能够有效提高药物在肠道中的保留率，减少其在其他器官中的分布，从而降低金属离子的全身暴露风险。同时，CPW还能够显著改善肠道屏障功能，促进肠道组织的修复，并调节免疫反应，减少炎症因子的释放。例如，DEX@CPW治疗后，小鼠的体重恢复情况优于其他治疗组，疾病活动指数（DAI）显著降低，结肠长度接近正常水平，且肾脏中的钨残留量减少了62.7%。这些结果不仅验证了CPW在体内环境中的稳定性，也突显了其在靶向治疗中的优势。

此外，研究人员还通过16S rDNA测序技术分析了不同治疗组小鼠肠道微生物群的变化。结果表明，CPW能够显著提高肠道菌群的多样性，并恢复其正常的组成结构。特别是在门水平上，CPW治疗组的拟杆菌门与厚壁菌门比例（F/B ratio）趋于正常，这被认为是IBD的一个重要标志。在目和科水平上，CPW有效抑制了与IBD相关的病原菌，如肠杆菌目和肠杆菌科，同时促进了有益菌群如梭杆菌目和瘤胃球菌科的增殖。这种精准的微生物群调控策略，不仅能够减少病原菌对有益菌的抑制作用，还能够促进肠道微生态的恢复，从而改善IBD症状。

CPW的创新性在于其将病原菌选择性靶向治疗与炎症触发的药物释放功能相结合。一方面，其结构特性使其能够在胃肠道中保持稳定，确保药物安全到达靶点；另一方面，其对CAL的响应性使其能够在炎症部位实现精准释放，提高治疗的靶向性和效率。这种双重功能的平台，为IBD的治疗提供了新的可能性，同时也可以拓展至其他与炎症相关的疾病，如癌症、肥胖和神经疾病等。未来，CPW的临床应用潜力值得进一步探索，尤其是在其长期安全性、药物释放效率以及免疫调节机制等方面。通过结合先进的药物递送技术和精准的微生物群调控策略，CPW有望成为一种安全、高效且具有广泛应用前景的新型治疗平台。