基于藻类多糖的纳米颗粒的制备及其抗氧化和抗炎潜能的评估

《IET Nanobiotechnology》：Fabrication of Algal Polysaccharides-Based Nanoparticles and Evaluation of Their Antioxidant and Anti-Inflammatory Potential

藻类多糖经干热法制备的纳米颗粒表现出显著的抗氧化和抗炎活性，其中S270型在DPPH自由基清除（91%）和Fe2?螯合（90%）方面效果最佳，同时有效抑制LPS诱导的巨噬细胞炎症因子（TNF-α、IL-1β、IL-6）和一氧化氮生成，且浓度低于1000 μg/mL时无细胞毒性。

　　这项研究探讨了从海藻多糖中提取的纳米颗粒的开发，并评估了其理化性质、抗氧化能力和抗炎活性，与原始多糖进行比较。海藻多糖来源于三种不同种类的海藻：棕藻（SP）、绿藻（UP）和红藻（PP）。研究通过干热处理在不同温度下制备纳米颗粒，并对其进行了多方面的表征，包括分子量分布、单糖组成、产率、形态、粒径、硫酸盐含量以及功能基团分析。结果显示，纳米颗粒呈现出球形结构，粒径小于500纳米，且其多分散指数（PDI）低于0.4，显示出良好的均匀性。纳米颗粒的ζ电位范围在?5至?30毫伏之间，表明其具有一定的表面电荷特性，有助于稳定性和生物相容性。

干热处理的温度显著影响了纳米颗粒的功能基团变化，特别是当温度超过210°C时，功能基团的改变更为明显。同时，当温度高于150°C时，纳米颗粒的DPPH自由基清除能力和Fe2?螯合活性明显增强，这表明温度在调节纳米颗粒的抗氧化性能方面起着关键作用。纳米颗粒相较于原始多糖展现出更强的抗氧化和抗炎能力，特别是在抑制脂多糖（LPS）诱导的促炎分子生成方面表现突出。此外，研究还发现，这些纳米颗粒在浓度低于1000微克/毫升时不会表现出细胞毒性，说明其在生物安全性方面具有优势。

海藻多糖因其丰富的抗氧化和抗炎特性，在亚洲的饮食文化中被广泛使用。这些多糖主要由碳水化合物组成，其总含量因种类、生长条件和采集时间的不同而变化，从5%到75%不等。SP、UP和PP的多糖在不同的处理条件下表现出独特的单糖组成。例如，SP主要由岩藻糖、半乳糖和木糖组成，而UP则含有鼠李糖、木糖和葡萄糖，PP则以半乳糖为主。这些不同的化学组成可能对纳米颗粒的生物活性产生影响，尤其是在抗氧化和抗炎功能方面。

纳米颗粒的制备方法简单且成本效益高，无需使用溶剂。研究中使用的干热处理技术可以在不引入外部化学物质的情况下，通过调整加热温度和时间来改变多糖的表面功能基团和理化性质。这种方法使得纳米颗粒在水溶性、毒性和生物相容性方面得到改善，为开发基于海藻多糖的生物活性纳米材料提供了新的思路。实验结果显示，SP纳米颗粒在高温处理后表现出最强的抗氧化和抗炎效果，这可能与其结构变化和功能基团的优化有关。

在抗炎测试中，使用了LPS刺激的RAW 264.7细胞模型，这是研究炎症反应的常用方法。研究发现，SP纳米颗粒，尤其是高温处理的样品，显著抑制了LPS诱导的促炎细胞因子（如TNF-α、IL-1β和IL-6）和一氧化氮（NO）的生成，且其效果与浓度相关。这表明，纳米颗粒能够有效调节炎症反应，这可能与其增强的生物活性和结构特性有关。UP和PP纳米颗粒也表现出一定的抗炎能力，但效果不如SP显著，这可能与其多糖的化学组成和结构特性相关。

此外，研究还探讨了纳米颗粒的结构特性如何影响其生物活性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析显示，随着处理温度的升高，纳米颗粒中的O─H、C─H和S═O等功能基团的峰出现减少或位移，这可能与脱水、键断裂或芳香结构的形成有关。这些结构变化可能增强了纳米颗粒的电子供体能力，从而提升了其抗氧化性能。同时，高温处理的纳米颗粒中硫酸盐含量增加，这可能是由于某些富含硫酸盐的区域被选择性降解或暴露。硫酸盐基团在抗氧化和抗炎过程中发挥重要作用，能够与自由基、金属离子和免疫介质相互作用，进一步增强了纳米颗粒的生物活性。

研究还指出，纳米颗粒的尺寸（<500纳米）显著增加了其表面积和生物可利用性，这与多项研究中发现的多糖纳米颗粒增强功能活性的结论一致。然而，过高的处理温度，如PP纳米颗粒在180°C以上，会导致碳化和溶解度降低，从而影响其应用效果。因此，需要在合适的温度范围内进行处理，以平衡结构优化和材料稳定性。

尽管研究结果表明基于海藻多糖的纳米颗粒在体外显示出良好的抗氧化和抗炎潜力，但其在体内的安全性和有效性仍需进一步研究。当前实验主要依赖于细胞模型，未涉及体内实验、药代动力学、生物分布和长期安全性评估。这些参数对于全面评估纳米颗粒的治疗潜力和系统兼容性至关重要。未来的研究应考虑在动物模型中测试这些纳米颗粒，以验证其在生理条件下的实际效果。

此外，研究还强调了不同海藻来源对纳米颗粒结构和功能的影响。SP、UP和PP的纳米颗粒在抗炎和抗氧化性能上存在差异，这表明海藻种类在纳米颗粒的性能方面具有重要影响。因此，未来的研究应进一步探索每种多糖的特性，以优化其在不同应用中的性能。

研究团队还讨论了纳米颗粒制备过程中可能遇到的问题，例如在高温下纳米颗粒的聚集和溶解度下降，这可能限制其在某些应用场景中的使用。同时，虽然实验中未观察到显著的细胞毒性，但在高浓度下仍可能存在细微的细胞应激反应或非预期的免疫激活，这需要进一步关注。此外，纳米颗粒的结构-活性关系仍需深入研究，以明确其在细胞内的作用机制，例如是否通过调控NF-κB或MAPK等关键信号通路来实现抗炎效果。

研究结果表明，基于海藻多糖的纳米颗粒在抗氧化和抗炎方面具有显著潜力，尤其是在高温处理后表现出更优的性能。这些纳米颗粒的开发为治疗与氧化应激和炎症相关的疾病提供了新的方向，同时也展示了天然材料在纳米医学中的应用前景。未来的工作应聚焦于揭示这些纳米颗粒的分子作用机制，并通过体内实验和更全面的结构分析，进一步验证其治疗潜力。