体外评估仿生PEC/Zein/ZnO纳米载体在结直肠癌治疗中用于pH响应性姜黄素递送的效果

《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》：In Vitro Evaluation of Bioinspired PEC/Zein/ZnO Nanocarriers for pH-Responsive Curcumin Delivery in Colorectal Cancer Therapy

姜黄素递送系统开发及pH响应性纳米载体研究。采用水油水双乳液法制备聚酮-zein-氧化锌复合纳米载体，FTIR证实姜黄素通过氢键和非共价相互作用包封，XRD显示氧化锌晶体结构完整。体外释放实验表明pH 5.4酸性环境下释放加速，pH 7.4生理环境下缓慢释放，符合扩散和肿胀控制机制。MTT检测显示载体对HT-29癌细胞选择性毒性达55%，对L929正常细胞毒性<10%。证实该系统具有pH响应性靶向递送姜黄素潜力，为结直肠癌治疗提供新策略。

　　本研究聚焦于开发一种新型的pH响应型纳米载体系统，用于封装和控制释放姜黄素（Curcumin，简称Cur），以提高其在结直肠癌（Colorectal Cancer，简称CRC）治疗中的应用潜力。传统癌症治疗方法如手术、化疗和放疗在临床实践中面临诸多挑战，包括有限的疗效和系统性毒性。因此，探索更安全、更有效的治疗策略显得尤为重要。本文提出了一种基于天然多糖果胶（Pectin，简称PEC）、玉米蛋白（Zein，简称Z）和氧化锌纳米颗粒（Zinc Oxide Nanoparticles，简称ZnO）构建的复合纳米载体，旨在提升Cur的水溶性、化学稳定性及靶向输送能力，同时降低其对正常细胞的非特异性毒性。

该纳米载体系统通过水包油包水（W/O/W）的双乳化技术制备，这一方法能够有效封装Cur并整合ZnO纳米颗粒。在实验过程中，通过FTIR、XRD、FESEM和EDX等多种手段对纳米载体的物理化学性质进行了全面表征。FTIR分析显示，Cur与PEC、Z及ZnO之间形成了氢键和非共价相互作用，这不仅验证了Cur的成功封装，还揭示了其在纳米载体中的分子结合方式。XRD结果表明，ZnO的晶体结构得到了良好保持，而Cur的结晶性被显著抑制，这可能与其在纳米载体中的分散状态有关。FESEM图像展示了纳米载体的球形结构和表面粗糙度，EDX则进一步确认了ZnO在载体中的存在及其元素分布情况。DLS测试显示，纳米载体的平均水动力直径约为270 nm，聚分散指数（PDI）为0.27，Zeta电位为+47.1 mV，这些参数表明该系统具有良好的胶体稳定性和正电荷表面特性，有利于细胞相互作用。

ZnO的引入显著提高了Cur的封装效率（从72.0%提升至85.5%）和载药量（从37.0%提升至46.0%），这表明ZnO在纳米载体结构中起到了重要的物理稳定作用。在体外释放实验中，纳米载体表现出显著的pH依赖性，即在酸性条件（pH 5.4）下Cur的释放速率明显加快。释放动力学模型分析显示，在pH 7.4条件下，Cur的释放遵循Korsmeyer–Peppas模型，这表明释放过程主要由扩散和聚合物矩阵松弛控制；而在pH 5.4条件下，释放更符合Baker–Lonsdale模型，说明此时释放机制受到肿胀和降解的双重影响。这一pH响应特性使得纳米载体能够在肿瘤微环境中实现更高效的药物释放，从而提高治疗效果。

为了进一步评估该纳米载体的生物相容性和抗肿瘤活性，研究者通过MTT实验对L929成纤维细胞和HT-29结直肠癌细胞进行了体外毒性测试。结果显示，所有仅含载体的配方（如PEC、PEC/Z和PEC/Z/ZnO）对L929细胞的存活率均高于90%，表明这些材料本身具有较低的细胞毒性。相比之下，当Cur被封装在PEC/Z/ZnO纳米载体中时，其对HT-29细胞的毒性显著增强，细胞存活率降至约49%，远低于未封装Cur的56%。这种选择性毒性可能源于Cur与ZnO在酸性环境下的协同作用，其中Cur通过多种机制（如抑制细胞增殖、诱导细胞凋亡、抑制血管生成和调节炎症与氧化应激通路）发挥抗癌作用，而ZnO则通过诱导活性氧（Reactive Oxygen Species，简称ROS）和破坏细胞内氧化还原平衡进一步增强其抗癌效果。此外，酸性环境下的pH响应特性加速了PEC的质子化和ZnO的溶解，从而促进了Cur的快速释放，增强了局部毒性，同时保持了正常组织的稳定性。

研究还探讨了ZnO在纳米载体中对Cur封装和释放的影响。ZnO的高比表面积和丰富的活性位点使其能够通过范德华力、氢键和配位作用有效吸附Cur。这种吸附作用不仅提升了Cur的封装效率，还通过增强聚合物-无机物之间的相互作用，提高了纳米载体的结构稳定性，减少了药物在乳化和冻干过程中的损失。ZnO的引入还促进了纳米载体的物理封装，形成了有利于Cur稳定存在的微域结构，从而进一步提高了其在载体中的保留率。

体外释放实验的数据显示，Cur在pH 5.4条件下的释放速度明显快于在pH 7.4条件下的释放速度。这种pH响应性源于多种机制的协同作用：在酸性环境下，PEC的羧基发生质子化，导致其电荷状态变化，从而削弱了与Z之间的静电相互作用，使载体结构松弛并增加药物的扩散能力；同时，ZnO的溶解释放出Zn2?离子，这些离子能够与载体中的羧基和羟基结合，进一步破坏载体结构并促进Cur的释放。相比之下，在中性pH条件下，PEC的结构保持紧凑，ZnO的溶解受到抑制，导致Cur的释放速率较低。这种释放模式的可调控性使得纳米载体能够在特定的生理或病理环境中实现精准药物输送。

此外，该纳米载体系统在设计和功能上展现了多重优势。首先，其基于天然生物材料（如PEC和Z），具有良好的生物相容性，同时ZnO的引入不仅提升了结构稳定性，还赋予了系统额外的治疗功能。其次，该系统在pH响应性和可控释放方面表现出色，能够根据环境pH值的变化调节药物释放速率，从而在肿瘤组织中实现更高的药物浓度和更持久的治疗效果。最后，通过物理封装和化学相互作用，纳米载体有效保护了Cur免受水解和光化学降解，提高了其在体内的稳定性和生物利用度。

尽管该系统在体外实验中表现优异，但其在体内环境中的行为仍需进一步研究。例如，在生理体液中，纳米载体的强静电稳定性和高水合度可能有助于防止聚集，但还需要进一步评估其在血清中的稳定性和蛋白冠形成情况。此外，肿瘤微环境的异质性和缓冲特性可能会部分削弱pH响应性，因此需要对纳米载体的电荷平衡和扩散特性进行优化，以提高其在肿瘤组织中的渗透能力。为了进一步增强靶向性，未来的研究可以考虑引入靶向配体（如叶酸、HA/CD44或RGD）或采用隐身或pH可降解的包覆层，以减少对非靶向组织的暴露。从临床转化的角度来看，实现大规模生产、长期储存稳定性和免疫相容性将是关键挑战。

总之，本研究开发的PEC/Z/ZnO@Cur纳米载体系统展现出了良好的pH响应性、结构稳定性和选择性毒性，为结直肠癌的靶向治疗提供了一种新的思路。其在体外实验中表现出的高生物相容性和显著的抗癌效果，为后续的三维培养和体内模型研究奠定了基础。未来的研究应重点关注如何在体内环境中进一步优化该系统的性能，以实现更高效、更安全的癌症治疗。