卡杜恩根部生物质高值化再生为聚羟基脂肪酸酯纳米载体用于多西他赛递送

《International Journal of Biological Macromolecules》：Upcycling of cardoon root biomass into polyhydroxyalkanoate nanocarriers for docetaxel delivery

　　通过级联生物炼制将菜蓟根转化为高附加值的PHBHHx。
深共晶溶剂预处理实现了木质素去除和可发酵糖的回收。
水解产物支持了微生物合成PHBHHx。
PHBHHx形成了稳定的载紫杉醇纳米粒子。
载紫杉醇纳米粒子表现出缓释和生物活性。**引言**聚羟基脂肪酸酯（PHAs）是一类微生物聚酯，在生物医学领域作为生物材料具有相当大的潜力，包括组织工程、伤口敷料、手术缝合线、人工血管、心脏瓣膜、神经导管和骨支架等[1]。然而，它们在医疗领域的大规模应用仍受到多项挑战的限制，尤其是生产成本高昂。可再生木质纤维素生物质作为一种廉价且可持续的替代品，为PHAs生产提供了有吸引力的低碳成本碳源。然而，其异质性和抗降解性要求复杂的处理步骤，可能影响下游生物转化的效率和可重复性。因此，PHAs衍生的聚合物通常被用于大宗或低附加值应用，而其在先进生物医学领域的应用仍然有限。结合原料特异性预处理、微生物聚合物生产和下游材料验证的综合方法，或许能够促进将木质纤维素残留物转化为高附加值的PHAs基生物医学材料。在众多木质纤维素原料中，菜蓟（*Cynara cardunculus*）作为一种多年生地中海作物，因其高生物质生产力和对边际土地的适应性而受到越来越多的关注，使其成为面向生物炼制增值的有前景资源[2]。已有多种菜蓟生物质的增值路线被报道，主要针对生物燃料、平台化学品和木质纤维素组分。种子油已被广泛用于通过酯交换和环氧路线生产生物柴油和化学升级，并可作为生物基聚合物添加剂[3]。菜蓟茎秆和秸秆通过碱法制浆、蒸汽爆破和有机溶剂分离处理，可获得富纤维素流、可发酵糖和木质素组分[4,5,6,7,8]。然而，大多数研究集中于茎、叶和种子等地上部分，而根部研究相对较少。为数不多的针对菜蓟根的研究主要集中在菊粉提取及其转化为果糖、微生物生物聚合物[9]或聚酯生产的高附加值单体，如2,5-呋喃二甲酸（FDCA）[10]。菜蓟生物质与微生物聚合物生产的整合也仍然有限。Corrado等人[11,12]研究了从菜蓟根中提取的水解菊粉用于不同微生物菌株的聚羟基丁酸酯生产，而种子油已被作为中链长PHAs生产的碳源，用于整合生物炼制途径[13]。针对聚合物导向生物转化的菜蓟根预处理策略尚未被探索。预处理在木质纤维素生物质增值中起着关键作用，影响碳水化合物可及性、抑制物形成和下游微生物性能。虽然蒸汽爆破和有机溶剂处理等传统方法已成功应用于菜蓟生物质[4,5]，但它们可能涉及苛刻条件并产生抑制性副产物。深共晶溶剂（DES）作为一种有前景的绿色替代品，因其低挥发性、低毒性和可调的溶剂特性而受到关注[14,15]。DES已被应用于菜蓟相关基质中选择性提取生物活性化合物，如从叶片中提取苦味质[16]，并且更广泛地可以调节木质素-碳水化合物平衡，同时限制抑制物形成[17]，这是当下游目标为微生物聚合物生产时的重要特性。然而，将菜蓟根预处理与生物聚合物生产及后续高级材料应用联系起来的系统研究仍然稀少。PHAs结合可生物降解性、生物相容性和可调的理化特性，使其在先进生物医学应用中具有吸引力[18,19,20]。其分子结构强烈受碳源性质和发酵条件的影响，决定了单体组成、分子量和结晶度等关键参数，从而影响机械性能、降解行为和可加工性[21,22]。这种可调性使PHAs特别适用于需要控制材料性能的应用，如药物递送系统。在PHAs中，聚(3-羟基丁酸酯-*co*-3-羟基己酸酯)（PHBHHx）尤为引人注目，因为3-羟基己酸酯单元的结合降低了相比聚(3-羟基丁酸酯)（PHB）均聚物的结晶度和脆性，同时改善了柔韧性和可加工性[1]。这些特性转化为更有利的机械性能和可调降解动力学，这是药物递送应用的关键特性。其疏水性和平衡的两亲性特征有利于封装水溶性差的药物，而其可生物降解性确保了聚合物的逐渐侵蚀而不产生有毒降解产物的积累。此外，共聚物组成的调节可能性使得能够精细控制材料性能，为生物材料工程提供了额外的设计灵活性。基于PHBHHx的纳米粒子（NPs）已被研究用于递送亲水性和疏水性生物活性分子，包括胰岛素（通过络合策略）[23]和疏水性药物如姜黄素、依托泊苷、5-氟尿嘧啶和激酶抑制剂，实现了高封装效率和缓释特性[24,25,26]。这些研究突出了PHBHHx制备纳米载体平台的通用性，特别是用于递送溶解度差的抗癌药物，其中延长释放和改善细胞内递送对于治疗疗效至关重要。在本研究中，开发了一种将预处理菜蓟根生物质转化为用于紫杉醇（DTX）递送的聚羟基脂肪酸酯纳米粒子的综合方法。DTX是一种广泛用于乳腺癌、肺癌和前列腺癌的抗癌药物，但其临床应用受到极差的水溶性和需要使用表面活性剂或溶剂配方（伴随显著副作用）的限制[27,28]。本研究的创新性在于原料特级的级联分离整合、定制的DES预处理、菜蓟根水解产物向PHBHHx的微生物转化，以及随后对生物质衍生聚合物在纳米粒子制备和DTX递送方面的验证。本工作建立了从老化菜蓟生物质到高附加值药物递送应用的单一增值途径中这些步骤的顺序兼容性。**材料部分****材料与化学品**干燥的菜蓟根（CR）由Novamont S.p.A.（意大利泰尔尼）提供。根系于2023年10月收获，此时5年生栽培周期结束。根系经手工切碎和机械混合直至获得细粉。本研究中使用的所有化学品均为分析试剂级，纯度为可获得的最纯级别。海藻糖、羟丙基-β-环糊精、Tween 80、Triton X-100、尼罗红和PBS购自Merck KGaA（德国）。商品化纤维素酶**菜蓟根分级分离与组分分析——级联增值策略**5年生菜蓟根系经过序列分级分离，以评估其化学组成和用于微生物聚合物生产的适用性。该级联方法旨在分离富含多糖的组分用于后续PHAs生产，同时选择性去除或回收可能干扰下游处理或代表潜在高附加值副产品的额外生物质组分（图1）。测定到可忽略不计的油脂含量（0.95% *w*/*w*），**结论**本研究证明了整合级联方法对老化菜蓟根增值的可行性，结合了生物质分级分离、DES预处理、酶解糖化、微生物PHBHHx生产和用于DTX递送的纳米粒子制备。优化的氯化胆碱:乳酸（ChCl:LA）预处理（1:4 mol/mol，140 °C，3 h）实现了木质素去除（≈70%）和碳水化合物保留（≈95%）之间的有效平衡，从而生产可发酵糖流用于**缩略语**CR — 菜蓟根PHBHHx — 聚(3-羟基丁酸酯-*co*-3-羟基己酸酯)DTX — 紫杉醇ChCl:LA — 氯化胆碱:乳酸BTEAC:FA — 苄基三乙胺氯化物:甲酸PHeN — 聚(3-羟基丁酸酯-*co*-3-羟基己酸酯)纳米粒子**作者贡献声明****Simona Varriale：** 撰写—初稿，验证，方法学，调查研究，形式化分析，概念化。**Pierluigi Gabriele Di Matteo：** 撰写—初稿，方法学，调查研究。**Ovidio Catanzano：** 撰写—初稿，方法学，调查研究，概念化。**Michele Guida：** 调查研究。**Pasquale d'Anna：** 调查研究。**Ivelina Ivaylova Dzhambazova：** 调查研究。**Elisabetta Borselleca：** 调查研究。**Giovanni Dal Poggetto：** 调查研究。**Maria Laura Alfieri：****利益冲突声明**作者声明他们没有已知可能影响本论文所报告工作的相互冲突的财务利益或个人关系。**致谢**我们感谢意大利大学与研究部（MUR）2022年2月2日发布的第104号招标通知（国家恢复与韧性计划[NRRP]，任务4，组件2，投资1.1）提供的财政支持，由**欧盟—下一代欧盟**资助——项目名称：一种生物质衍生的材料平台用于大脑活性化合物递送（BRAIN）——CUP E53D23010830006——第976号拨款拨款令于2023年7月3日由意大利大学与科学研究部批准