新型生物活性纳米马达：高效穿透肠道屏障，开启结直肠癌治疗新篇章

为解决 CRC 治疗中口服药物递送难题，郑州大学研究人员开展生物活性纳米马达用于 CRC 治疗的研究。结果显示该纳米马达可高效穿透肠道屏障，显著提升疗效。推荐阅读，助您了解该领域前沿成果！

　　

郑州大学药学院（School of Pharmaceutical Sciences, Zhengzhou University）的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Bioactive nanomotor enabling efficient intestinal barrier penetration for colorectal cancer therapy” 的论文。这篇论文在结直肠癌治疗领域意义重大，为攻克结直肠癌治疗难题提供了全新的策略和方向，有望推动口服药物递送系统（Oral drug delivery systems，ODDS）在结直肠癌治疗中的临床应用。

研究背景

结直肠癌（Colorectal cancer，CRC）是一种高度恶性的消化道肿瘤，每年全球发病率高达 100 万，死亡率为 33%。口服给药是临床治疗 CRC 的常用方式，但胃肠道中的胃酸和酶会阻碍大多数口服药物发挥作用，限制了其临床应用。随着纳米技术的发展，口服药物递送系统（ODDS）虽能保护药物免受胃部恶劣环境影响，但胃肠道屏障，尤其是黏液和上皮屏障，严重阻碍了药物递送效率，导致治疗效果不佳，临床转化受限。

肠道黏液结构致密、黏性大且清除速度快，为 ODDS 的药物递送设定了有限的时间窗口。研究人员尝试构建多种材料来促进纳米颗粒穿过黏液屏障，如聚乙二醇封装、黏液黏附贴片和两性离子纳米颗粒等，但这些方法的黏液屏障穿透效率仍较低。纳米马达虽在生物医学领域应用广泛，有望突破黏液屏障，但多数纳米马达功能单一，面对复杂的生理屏障，药物递送和治疗效率相对较低。

肠道上皮屏障作为胃肠道屏障系统的重要组成部分，其复杂的药物吸收途径，如跨细胞转运和细胞旁扩散，极大地限制了 ODDS 的药物递送。上皮跨细胞转运机制复杂，药物在运输过程中易降解；细胞旁运输虽有潜力，但现有增强细胞旁扩散的策略，如使用化学渗透增强剂，可能导致肠道炎症甚至血液感染。因此，精确原位调节上皮紧密连接是提高细胞旁渗透策略临床转化的关键。

关键技术方法

为解决上述问题，研究人员开发了一种具有生物活性的自热泳和气体双驱动纳米马达，用于结直肠癌治疗。该 Janus 纳米马达以介孔二氧化硅纳米颗粒（Mesoporous silica nanoparticle，MSN）为纳米载体，负载一氧化氮（Nitric oxide，NO）供体 BNN6 的聚多巴胺（Polydopamine，PDA）纳米颗粒为推进元件（MSN/PB）。加载化疗药物顺铂（Cisplatin，CP）后，用鼠李糖乳杆菌 GG（Lactobacillus rhamnosus GG）细胞壁（Cell wall of Lactobacillus rhamnosus GG，CWL）对其进行伪装，制备出生物活性自推进纳米平台（CP@MSN/PB@CWL，简称 CMPBC）。

在近红外（Near infrared，NIR）激光照射下，纳米平台不仅产生自热泳推进力，还通过不对称产生 NO 产生气体推进力，双驱动力促进纳米平台高效穿过肠道黏液屏障。同时，NO 激活 cGMP/PKG 信号通路，下调紧密连接相关蛋白，可逆原位打开肠道上皮细胞旁通路，有利于纳米平台穿透上皮屏障。

研究结果

1. CMPBC 的表征和运动分析：通过多种实验手段对 CMPBC 进行表征，透射电子显微镜（Transmission electron microscopy，TEM）图像证实 MSN 和 PDA 呈均匀球形，PDA 成功附着于 MSN 形成 Janus 结构。元素映射图像、能量色散 X 射线光谱（Energy dispersive X-ray spectra，EDX）和傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectra，FTIR）等也验证了纳米平台的成功制备。动态光散射测量不同纳米颗粒的流体动力学直径，zeta 电位值进一步证明纳米平台构建成功。MSN 和 PDA 的介孔结构为药物负载奠定基础，CMPBC 中 CP 和 BNN6 的载药率分别为 27.5 ± 1.3% 和 46.0 ± 0.9%。
   吸附实验表明，CWL 修饰的纳米颗粒对 IgA 标记磁珠的吸附能力更强，且预孵育 IgA 后吸附效果消失，说明 CWL 有利于纳米平台在 CRC 肠道部位的定位。CWL 在人工胃液和小肠液中 2 小时内大部分未脱离纳米平台，在人工结肠液中逐渐脱落，为纳米平台穿越肠道屏障奠定基础。体外药物释放实验显示，CMPBC 在复杂胃肠道环境中对 CP 有显著保护作用，NIR 激光照射可促进药物释放。
   NO 释放实验表明，PDA - BNN6 在 NIR 激光照射下可释放 NO，且激光关闭和再次照射时，NO 浓度变化明显，证明 NO 释放行为可受 NIR 光调控。纳米平台在肠黏液中的运动性能研究发现，CMPBC 在 NIR 激光照射下运动速度加快，增强的运动速度使其能够自主穿透黏液屏障，提高药物递送效率。

2. CMPBC 的体外肠道黏液穿透性能：通过微流控芯片实验、transwell 系统实验和与大鼠结直肠组织共孵育实验，验证了纳米平台的体外黏液穿透性能。微流控芯片实验中，CLSM 图像显示 NIR 激光照射和 NO 释放可推动纳米马达穿透黏液屏障，MSN/PB + NIR 组运动距离最远。transwell 系统实验量化了不同纳米颗粒穿透黏液层的能力，MSN/PB + NIR 组穿透率最高，是 PB + NIR 组的 2.9 倍，MSN/PDA + NIR 组的 1.5 倍。与大鼠结直肠组织共孵育实验中，CLSM 图像显示 MSN/PB 纳米马达在 NIR 激光照射下能主动穿越肠道黏液屏障，且其在黏液下层的荧光强度在照射后显著增强，表明能有效穿过黏液屏障。此外，研究还发现黏液穿透效果主要归因于纳米颗粒运动速度的加快。

3. CMPBC 的体外肠道上皮屏障通透性特性：利用水凝胶衍生的人工肿瘤模型、Caco - 2 细胞单层 Transwell 模型和肠道类器官模型，评估纳米平台的肠道上皮细胞跨越能力。人工肿瘤模型实验中，MSN/PB 在 NIR 激光和 NO 的双驱动下，在人工肠道上皮模型中的穿透深度明显长于其他组。Transwell 模型实验中，PB + NIR 组和 MSN/PB + NIR 组可降低跨上皮电阻（Trans - epithelial electrical resistance，TEER）值，且 24 小时内 TEER 值逐渐恢复，表明 NO 可诱导肠道上皮通透性可逆增加。ZO - 1 免疫荧光染色显示，NO 处理后细胞 ZO - 1 染色减少且不连续，24 小时后再次可见，进一步证实 NO 诱导的肠道上皮通透性增加是可逆的。
   为探究纳米颗粒穿过肠道上皮的机制，使用典型抑制剂作用于 Caco - 2 细胞单层模型。CLSM 结果显示，抑制剂作用后细胞内纳米颗粒荧光强度显著降低，表明抑制了纳米颗粒的跨细胞转运过程；同时，能释放 NO 的 PB + NIR 组和 MSN/PB + NIR 组在细胞旁通路的荧光强度显著高于其他组，证明 NO 能增强纳米颗粒通过细胞旁通路的转运，提高穿越肠道上皮屏障的效率。肠道类器官模型实验结果与上述一致，进一步证明 NO 可打开肠道紧密连接，增强肠道上皮通透性，促进纳米颗粒通过细胞旁层转运。

4. CMPBC 的体外肠道屏障穿透机制和抗肿瘤能力研究：通过对 Caco - 2 细胞转录谱的研究，揭示 NO 降低紧密连接蛋白表达的具体机制。KEGG 通路分析表明，NO 通过激活鸟苷酸环化酶（Guanylate cyclase，sGC）促进 cGMP/PKG 信号通路，下调 RhoA、ROCK 和 MLC 等蛋白表达，进而下调紧密连接相关蛋白 Claudin - 1、Occludin 和 ZO - 1 的表达，打开上皮屏障。Western blotting 实验验证了相关蛋白的表达变化，表明 NO 对相关通路的作用是短暂可逆的。
   在黏液分泌的 transwell 模型实验中，MSN/PB + NIR 组能有效穿过体外产生黏液的肠道屏障，并被基底室的 CT26 细胞内化，其平均荧光强度（Mean fluorescence intensity，MFI）显著高于其他组，表明增强了黏液渗透和细胞内吞作用。体外抗癌实验中，先评估纳米平台的体外生物安全性，结果显示在高浓度纳米平台和 NIR 激光照射下，Caco - 2 和 CT26 细胞活力仍超 90%，表明具有良好的生物安全性。随后，不同药物浓度处理 CT26 细胞实验表明，CP@MSN/PB + NIR 组在药物浓度为 5 μg/mL 时对 CT26 细胞的细胞毒性作用最显著。Transwell 实验中，CP@MSN/PB + NIR 组在穿透体外黏液产生的肠道屏障后，对癌细胞的杀伤效果高达 74.4 ± 2.6%，显著高于其他组，证明了载药纳米平台穿越体外黏液产生的 transwell 屏障后抗癌活性提高。

5. CMPBC 的体内生物分布和肠道屏障穿越能力：通过体内分布实验评估纳米马达对 CRC 相关肠段的靶向效率。实验结果显示，MSN/PDA - BNN6@CWL（MPBC）在肿瘤部位显示出更强、更持久的荧光，在口服给药 6 小时后，MPBC 在 CRC 相关肠段的荧光定量分析结果显示其积累量是 MSN/PB 的 5.7 倍，且预孵育 IgA 后荧光显著降低，表明其生物趋化能力依赖于对 IgA 的识别。MPBC 在正常器官中的分布不显著，可能降低化疗对正常组织器官的副作用。电感耦合等离子体质谱（Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP - MS）分析显示，MPBC 组在肿瘤部位的纳米颗粒浓度在 24 小时时比 MSN/PB 组高 2.4 倍，且 NIR 照射后在不可切除的原发性肿瘤和人结直肠癌模型中纳米颗粒浓度进一步增加。
   研究还考察了 NO 打开肠道上皮后细菌内化和肠道屏障完整性的情况。CLSM 结果显示，NO 释放组与对照组的荧光强度无显著差异，表明 NO 打开肠道上皮的策略不会导致明显的细菌内化。FITC - 葡聚糖实验表明，NO 诱导的肠道通透性增加在 4 小时时出现，24 小时后肠道屏障功能显著恢复，说明这种增加是可逆且相对安全的。血液动力学清除实验评估纳米马达的药代动力学特性，结果显示 MPBC + NIR 的峰浓度（Cmax）、半衰期和生物利用度均高于 MPBC 和 MSN/PB + NIR。

6. 体内肿瘤抑制实验：构建原位结直肠癌小鼠模型，进行体内抗肿瘤实验。实验结果显示，CP 组在治疗期间小鼠体重显著下降，而 CMPBC 和 CMPBC + NIR 组的靶向递送减少了小鼠体重下降。生物发光成像监测肿瘤生长发现，CMPBC + NIR 组的抗肿瘤效果最佳，肿瘤抑制率高达 98.6%，治疗 3 周后，该组小鼠肿瘤负担最小，甚至有一只小鼠肿瘤消失。H&E 染色和 c - caspase - 3 免疫组化结果表明，CMPBC + NIR 组可导致大量癌细胞死亡，诱导癌细胞凋亡的活性最高。
   对小鼠远处转移情况的检查发现，生理盐水组、CP 组和 CP@MSN/PB 组出现远处转移，而 CMPBC 和 CMPBC + NIR 组无远处转移，表明纳米颗粒具有抗肿瘤转移的作用。16S 核糖体 DNA 测序技术评估肠道菌群变化结果显示，CMPBC + NIR 组的肠道菌群与正常小鼠相似，表明纳米平台在体内具有良好的治疗效果，不仅能有效治疗 CRC，还能挽救由 CRC 引起的肠道菌群紊乱。长期生存实验中，CMPBC + NIR 组显著延长了荷瘤小鼠的生存时间，在第 60 天的生存率为 60%，且减少了肿瘤复发。

研究结论与讨论

研究人员成功开发了一种生物活性双驱动纳米马达，用于结直肠癌治疗。该纳米马达通过自主运动显著提高了肠道黏液穿透效率，5 分钟内可提高 8.3 倍；同时，实时、原位、可逆地打开肠道上皮紧密连接，使 ODDS 通过上皮细胞旁通路的药物递送效率提高 3.5 倍。在体内实验中，纳米平台表现出良好的靶向性、生物安全性和抗肿瘤效果，有效抑制肿瘤生长、减少远处转移、挽救肠道菌群紊乱，并延长荷瘤小鼠的生存时间。

与以往研究相比，PEG 和两性离子修饰纳米颗粒虽能增强肠道黏液屏障的穿越能力，但穿透效率仍较低，且肠道黏液的高清除率限制了口服药物递送。而本研究中的纳米马达通过自主运动提高黏液穿透效率，为口服药物递送提供了新的思路。在肠道上皮屏障方面，现有增加细胞旁扩散的方法存在导致肠道炎症等风险，本研究的纳米马达能可逆打开上皮紧密连接，具有更好的生物安全性。

该研究为结直肠癌治疗提供了一种高效的治疗策略，有望推动 ODDS 在临床治疗中的应用。然而，在未来的研究中，还需在非人灵长类动物中进一步评估该策略在不同物种间的可转化性以及临床研究的潜力，同时评估纳米马达对不同类型实体结直肠癌肿瘤的应用前景。