基于紫草素(shikonin)的自组装纳米药物通过调控组氨酸脱羧酶(HDC)相关的组胺代谢及肠道菌群改善右旋糖酐硫酸钠(DSS)诱导的结肠炎

《Journal of Materials Chemistry B》：A shikonin-based self-assembled nanomedicine alleviates DSS-induced colitis involving HDC-associated histamine regulation and gut microbiota modulation

　　

溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)是一种以反复发作为特征的肠道慢性炎症性疾病，现有疗法疗效有限且存在安全性隐患。本研究旨在通过开发新型金属-酚纳米粒提高天然产物紫草素(shikonin, SHK)的水溶性与治疗作用。研究人员采用Zn2+与紫草素配位并结合聚乙二醇(PEG)表面修饰，合成了Zn-SHK-PEG杂化纳米粒(Zn-SHK-PEG NPs)。采用右旋糖酐硫酸钠(dextran sulfate sodium, DSS)诱导的结肠炎模型评价纳米粒的治疗潜力与机制。Zn-SHK-PEG NPs处理可显著缓解体重下降与结肠缩短，降低疾病活动指数(disease activity index, DAI)，减轻组织病理学损伤。机制研究表明，纳米粒下调与丙酮酸激酶M2(pyruvate kinase M2, PKM2)调控相关的组氨酸脱羧酶(histidine decarboxylase, HDC)表达，伴随血清组胺(histamine, HA)水平降低及炎症抑制。此外，Zn-SHK-PEG NPs改变肠道菌群组成，富集黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansia muciniphila)，亦可能参与整体治疗效果。综上，Zn-SHK-PEG NPs可改善DSS诱导的结肠炎，其治疗作用涉及调控HDC/组胺轴、抑制炎症反应及调节肠道菌群，提示该纳米粒有望成为溃疡性结肠炎治疗的潜在策略。

基于紫草素自组装纳米药物治疗DSS诱导结肠炎的研究解读

溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)是主要累及结肠黏膜层的慢性复发性炎症性疾病，受上皮屏障损伤与免疫失调共同影响。全球患病人数约500万且仍在上升。临床一线药物5-氨基水杨酸(5-aminosalicylic acid, 5-ASA)对部分患者无效，糖皮质激素长期使用可致肾上腺抑制、骨质疏松等不良反应，免疫抑制剂存在肝毒性风险，生物制剂费用高昂。紫草素(shikonin, SHK)是从紫草(Lithospermum erythrorhizon)中分离得到的萘醌类化合物，具抗炎、抗氧化活性，并可调节肠道菌群，但其水溶性差、生物利用度低，限制其临床应用。金属-酚网络(metal-phenolic networks, MPNs)可通过金属离子与酚羟基配位构建无载体纳米结构，提高载药量与生物相容性。经聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)表面修饰可增强纳米粒在胃肠道的稳定性并实现黏液渗透与炎症部位靶向滞留。因此研究人员构建了Zn²⁺辅助自组装并经PEG稳定的紫草素纳米粒(Zn-SHK-PEG NPs)，在DSS诱导的小鼠结肠炎模型中评估其疗效，并从HDC(组氨酸脱羧酶)/组胺轴、肠道屏障保护、巨噬细胞炎症调控及肠道菌群重塑多角度探讨作用机制。该论文发表于《Journal of Materials Chemistry B》。

主要关键技术方法： 研究人员采用ZnCl₂与紫草素乙醇溶液配位自组装后经PEG修饰合成Zn-SHK-PEG NPs，通过透射电镜(TEM)、动态光散射(DLS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)及电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)进行表征；以CCK-8法检测RAW264.7与Caco-2细胞毒性；建立雄性C57BL/6小鼠DSS诱导急性结肠炎模型(n=6)，设对照组、DSS模型组、5-ASA阳性药组及ZnCl₂、游离SHK与Zn-SHK-PEG NPs治疗组，口服给药，记录体重与DAI并测结肠长度，行H&E、免疫组化(IHC)与免疫荧光(IF)染色；ELISA检测血清IL-1β、IL-6及组胺；Western blot与RT-qPCR检测HDC、COX-2(环氧化酶-2)、紧密连接蛋白及炎症因子表达；以siRNA敲低HDC与PKM2验证分子机制；收集粪便行宏基因组测序分析α/β多样性、LEfSe差异菌种及KEGG功能注释。

研究结果

3.1. The fabrication and characterization of Zn-SHK-PEG NPs

Zn²⁺与紫草素酚羟基配位形成Zn-SHK NPs再经PEG修饰。TEM显示近似球形形貌，平均水合粒径148.43±12.76 nm(PDI=0.29)，Zeta电位由未修饰的?15.23 mV变为?46.215 mV。UV-Vis特征吸收与游离SHK相似，FTIR中O–H伸缩振动红移、C–OH减弱证实Zn²⁺–O配位，PEG特征峰证实成功修饰。XPS检出C、O、Zn元素，Zn 2p有典型双峰。紫草素包封率达99.73%，Zn与SHK摩尔比约0.91∶1。CCK-8显示Zn-SHK-PEG NPs细胞相容性显著优于游离SHK与未修饰Zn-SHK NPs。

3.2. Oral delivery performance and inflamed intestinal retention of Zn-SHK-PEG NPs

Zn-SHK-PEG NPs在PBS、血清、模拟胃液与肠液中粒径稳定；药物释放较未修饰NPs更缓慢，2 h释放约18.14%，24 h约72.85%，且在3 mM H₂O₂氧化条件下释放加快，具炎症响应性。Cy5标记示踪显示，口服后DSS结肠炎小鼠肠道荧光滞留强于正常小鼠，24 h时整个肠道荧光强度显著高于对照组，主要分布于肠道，心肝脾肺肾信号极弱，表明纳米粒在炎症肠段有增强滞留。

3.3. Zn-SHK-PEG NPs alleviate DSS-induced colitis

DSS致小鼠体重下降、DAI升高、结肠缩短及黏膜结构破坏、炎性浸润。Zn-SHK-PEG NPs、游离SHK及5-ASA均能显著缓解上述表型，改善组织学评分，各治疗组间无统计学差异但Zn-SHK-PEG NPs趋势更优。主要脏器H&E未见异常，血清ALT、AST、BUN与对照组无差异，提示体内生物相容性良好。

3.4. Zn-SHK-PEG NPs protect the intestinal barrier and reduce inflammatory cell infiltration

DSS下调闭合蛋白(Occludin)与闭锁小环蛋白-1(zonula occludens-1, ZO-1)表达，ZnCl₂、SHK、Zn-SHK-PEG NPs及5-ASA均使其恢复。DSS致结肠Ly6G⁺中性粒细胞浸润增加，Zn-SHK-PEG NPs明显减少该浸润。血清ELISA显示DSS升高IL-1β与IL-6，各治疗组均降低，其中Zn-SHK-PEG NPs降IL-6效果显著优于游离SHK与ZnCl₂组，与5-ASA相当。结肠组织TNF-α、IL-1β、IL-6 mRNA表达变化与之一致。提示Zn-SHK-PEG NPs对屏障保护与抗炎效果优于游离组分。

3.5. Zn-SHK-PEG NPs reduce histamine levels in colitis mice associated with decreased HDC expression in macrophages

DSS模型血清组胺升高，Zn-SHK-PEG NPs显著降低之。Western blot示DSS上调HDC蛋白而组胺N-甲基转移酶(HNMT)无变化。Zn-SHK-PEG NPs下调HDC与COX-2蛋白。甲苯胺蓝、类胰蛋白酶(tryptase)与CD117染色未见DSS组肥大细胞明显增多，提示组胺升高非源于肥大细胞累积；免疫荧光显示HDC与F4/80⁺巨噬细胞共定位，表明巨噬细胞是炎症组织中HDC/组胺的重要来源之一。

3.6. Zn-SHK-PEG NPs alleviate macrophage inflammatory responses involving PKM2-associated HDC regulation

体外LPS刺激RAW264.7细胞，Zn-SHK-PEG NPs抑制HDC与COX-2蛋白及IL-1β mRNA，效果强于游离SHK。外源组胺上调IL-1β mRNA。si-HDC敲低HDC可抑制LPS诱导的IL-1β与COX-2，联合Zn-SHK-PEG NPs进一步降低之。si-PKM2敲低PKM2亦下调LPS诱导的HDC，此时Zn-SHK-PEG NPs不再产生额外抑制，提示紫草素通过抑制PKM2影响HDC表达，HDC/组胺轴参与但非唯一介导纳米粒抗炎效应。

3.7. Zn-SHK-PEG NPs do not alter the abundance of HDC in the gut microbiota

粪便宏基因组显示三组共有物种6149种，α多样性无显著差异，β多样性(PCoA、NMDS、ANOSIM)表明三组菌群结构不同(p<0.05)。KEGG注释分析肠道菌群中丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)与HDC丰度在三组间无显著差异，说明Zn-SHK-PEG NPs不改变菌群来源的HDC。

3.8. Zn-SHK-PEG NPs upregulate the abundance of Akkermansia muciniphila and improve the inflammatory microenvironment

DSS致拟杆菌门(Bacteroidota)、Duncaniella sp.减少，厚壁菌门(Bacillota)及Akkermansia muciniphila相对增加；Zn-SHK-PEG NPs处理恢复并显著提升Verrucomicrobiota(疣微菌门)及Akkermansia muciniphila丰度，也回升Duncaniella sp.。LEfSe示Zn-SHK-PEG NPs组标志性菌为Akkermansia属及A. muciniphila。KEGG显示治疗后辅因子合成、次级代谢产物生物合成、核糖体、硫辛酸代谢等通路富集，与有益菌代谢及黏膜屏障修复相关。

讨论与结论翻译

综上所述，研究人员开发了经PEG修饰的Zn²⁺辅助紫草素自组装纳米药物Zn-SHK-PEG NPs。该制剂实现了紫草素的高效包封、改善的细胞相容性、在生理及胃肠液中的稳定性、缓释及氧化响应性释放，以及口服后炎症肠道的滞留增强。Zn-SHK-PEG NPs可缓解DSS诱导的结肠炎，治疗作用涉及抑制炎症反应、调控HDC/组胺轴、保护上皮屏障及调节肠道菌群（尤其是富集Akkermansia muciniphila）。结果表明，Zn-SHK-PEG NPs有望作为一种潜在的紫草素基口服纳米药物治疗溃疡性结肠炎。