工程化双响应粘膜粘附水凝胶共递送富勒烯醇对抗辐射诱导的阴道损伤和微生物群失调

《Materials Today Bio》：Engineered Dual-Responsive Mucoadhesive Hydrogel Co-Delivering Fullerenol Against Radiation-Induced Vaginal Injury and Microbiota Dysbiosis

　　

辐射诱导的阴道损伤（RIVI）是妇科癌症盆腔放疗后常见的并发症，主要由高破坏性活性氧（ROS）如羟基自由基（·OH）引发的严重粘膜氧化应激导致。常规预防性药剂因不稳定性、自由基靶向不足和在阴道腔内停留时间短而难以发挥作用。为克服现有挑战，研究人员开发了一种基于生物材料的预防策略，能够有效中和有毒自由基并实现智能粘膜粘附。利用碳基纳米抗氧化剂富勒烯醇（FOH）作为可靠的“自由基海绵”来清除·OH，研究人员设计了pH和温度响应的氨基末端Pluronic F127（AF127）原位水凝胶作为FOH的载体。AF127@FOH系统适用于简便的阴道给药并能实现原位凝胶化。更重要的是，AF127在酸性阴道环境中可被质子化，从而通过静电相互作用增强与阴道粘蛋白的粘膜粘附并延长局部停留时间。该设计实现了FOH的局部持续释放，抑制了初始ROS爆发，减轻了氧化损伤、早期组织损伤及随后的阴道微生物失调。研究者的工作为RIVI提供了一种先进的局部治疗策略，并拓展了智能生物材料在粘膜辐射防护中的应用。

**论文解读：工程化双响应粘膜粘附水凝胶共递送富勒烯醇预防辐射诱导的阴道损伤与微生物群失调**

**研究背景与问题**
妇科癌症（如宫颈癌、子宫内膜癌）盆腔放疗后，辐射诱导的阴道损伤（RIVI）发生率高达84.4%，主要源于放疗期间活性氧（ROS）爆发，尤其是高破坏性的羟基自由基（·OH），引发严重氧化应激，直接攻击阴道粘膜的DNA、蛋白质和脂质，破坏粘膜屏障，导致持续炎症、水肿、溃疡及严重微生物群失调。患者因此遭受慢性疼痛、出血、性功能障碍和感染风险，生活质量与治疗依从性显著降低。现有辐射防护剂（如抗氧化酶和小分子）存在化学不稳定、代谢快、体内生物利用度低等局限，且多数非特异性清除ROS，既破坏氧化还原平衡，又对RIVI关键致病因子效果不佳。此外，阴道粘膜屏障和持续液体清除导致局部给药时药物停留时间短，难以维持有效浓度。因此，亟需设计能选择性中和毒性自由基、具备固有稳定性且适合阴道递送的辐射防护剂，具有重要的科学和临床转化价值。

**研究内容与意义**
研究人员提出了整合纳米抗氧化治疗与智能药物递送的“一体化”解决方案：工程化氨基末端Pluronic F127（AF127）原位水凝胶，兼具pH和温度双响应性，作为富勒烯醇（FOH）的智能载体（AF127@FOH）。FOH作为高效、稳定的·OH清除剂，从源头淬灭ROS爆发；AF127水凝胶提供温敏凝胶化便于阴道给药，并在酸性阴道环境中通过质子化氨基与带负电的粘蛋白产生静电粘附，显著延长局部停留时间。该体系实现了局部持续释放FOH，抑制初始ROS爆发，减轻氧化损伤、早期组织损伤及后续阴道微生物群失调。该工作为RIVI提供了一种先进的局部治疗策略，拓展了智能响应生物材料在粘膜辐射防护中的应用，发表于《Materials Today Bio》。

**主要关键技术与方法**
研究人员采用改良机械化学球磨法合成FOH（源自有研纳米科技有限公司的C₆₀粉末）；通过两步反应（N,N'-羰基二咪唑活化与乙二胺取代）对Pluronic F127进行氨基化修饰制备AF127；利用流变仪评估AF127的温敏凝胶化行为；通过动态光散射和电泳光散射表征FOH的粒径与Zeta电位；采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）确认化学结构；以小鼠RIVI模型（20 Gy局部盆腔照射，5 Gy/min，X射线辐照器，Faxitron）进行体内保护效果评估；通过16S rDNA基因扩增子测序分析阴道微生物群；使用人阴道粘膜上皮细胞（VK2/E6E7，ATCC）进行细胞机制研究，包括CCK-8细胞毒性、DCFH-DA探针检测ROS、γ-H2AX免疫荧光检测DNA损伤、JC-1染色检测线粒体膜电位（ΔΨm）、免疫荧光共定位检测细胞色素C释放、Caspase-3活性检测、流式细胞术检测凋亡、Western blot检测Nrf2/HO-1/cleaved Caspase-3蛋白表达。样本来自雌性BALB/c小鼠（7周龄，SPF级）。

**研究结果**

**3.1 FOH的合成、表征与自由基清除性能**
通过改进的环保机械化学球磨法成功合成准球形FOH纳米颗粒。XPS和FT-IR确认其结构：碳笼表面富含羟基，形成“自由基海绵”基础。FOH在生理pH 7.2下呈强负电荷（Zeta电位：-52.45±7.76 mV），在酸性阴道样pH 4.2下电荷显著降低（-7.80±1.19 mV）。FOH对DPPH·、ABTS^·+、·OH和·O₂^-四种自由基均表现出浓度依赖清除能力，尤其在酸性条件下对·OH清除率高达约95%（50 μg/mL），优于超氧化物歧化酶（SOD）；而SOD对·O₂^-的清除在酸性下降约40%。FOH的pH非依赖性·OH清除能力源于其离域π电子碳笼结构，不受pH影响。

**3.2 AF127@FOH原位水凝胶的制备、表征与粘膜粘附性能**
通过两步反应成功将氨基引入Pluronic F127，¹H NMR和FT-IR确认氨基化。流变学显示AF127溶液在约25°C发生溶胶-凝胶转变，37°C形成稳固凝胶（G'>10² Pa），且可逆稳定。AF127@FOH复合水凝胶凝胶行为不变。在模拟阴道液（pH 4.2）中，AF127@FOH在24 h内质量损失约72%，FOH累计释放率静态58.88%、震荡63.14%。体内荧光成像显示，AF127@FOH-Cy5组在阴道给药后荧光信号持续远长于F127@FOH-Cy5组或游离FOH-Cy5组，证实AF127在酸性阴道环境中与粘膜强粘附，有效抵抗清除。

**3.3 AF127@FOH原位水凝胶对小鼠RIVI的体内辐射防护效果**
小鼠RIVI模型（20 Gy单次局部盆腔照射）中，IR+AF127@FOH治疗显著保护阴道粘膜结构：H&E染色显示上皮屏障完整性增强，粘膜变薄、脱落和溃疡减轻，效果优于AF127@SOD；Masson染色显示异常胶原沉积被有效抑制，纤维化评分比IR组降低约3.6倍。氧化应激标志物检测：IR+AF127@FOH组显著降低MDA水平，并恢复SOD、CAT、GPx活性至接近正常水平。TUNEL染色显示AF127@FOH显著减少辐射诱导的细胞凋亡。这些结果表明局部持续递送FOH有效清除过量ROS，减轻氧化损伤，维持组织修复所需的氧化还原微环境。

**3.4 AF127@FOH原位水凝胶对RIVI小鼠阴道微生物群的影响**
16S rDNA测序分析显示：辐射损伤显著降低α多样性（Shannon和Simpson指数），AF127@FOH治疗恢复至接近正常水平。PCoA分析表明IR+AF127@FOH组的微生物整体结构显著区别于IR组，趋近正常对照组。门水平上，IR组Firmicutes相对丰度急剧增加，Bacteroidetes和Proteobacteria减少，AF127@FOH缓解了这种极化趋势。属水平上，辐射富集了潜在条件致病菌（Staphylococcus、Enterococcus），减少了Lactobacillus，AF127@FOH治疗显著逆转了这些变化。LEfSe分析显示IR组富集Staphylococcus及其相关Firmicutes谱系，IR+AF127@FOH组富集Lactobacillus、Lactobacillaceae、Ruminococcaceae和Pseudomonadales等有益共生菌。Tax4Fun功能预测表明AF127@FOH促进了微生物代谢功能重建，恢复与正常菌群相似的代谢谱。

**3.5 FOH对阴道上皮细胞辐射诱导凋亡的影响与机制**
细胞实验（VK2/E6E7细胞）证实：FOH（≤200 μg/mL）无细胞毒性，可被细胞高效摄取。6 Gy X射线照射后，FOH预处理显著抑制细胞内ROS水平，效果优于SOD。通过Transwell共培养模型验证，AF127@FOH水凝胶释放的FOH同样有效降低辐射诱导的ROS爆发。FOH预处理显著减少γ-H2AX foci形成（DNA双链断裂），保护线粒体膜电位（ΔΨm），抑制细胞色素C从线粒体释放，降低Caspase-3活性，最终减少细胞凋亡比率。Western blot证实FOH促进Nrf2核转位、上调HO-1表达，抑制cleaved Caspase-3，从而加强Nrf2依赖性抗氧化防御，阻断线粒体凋亡通路。

**3.6 AF127@FOH原位水凝胶的阴道给药安全性评估**
小鼠重复阴道给药（5天，每日一次）并观察至第15天，各组动物体重稳定增长，无死亡或异常。血常规、血清肝功能（ALT、AST）和肾功能（CREA、BUN）指标均在正常范围，无组间差异。H&E染色显示阴道及主要器官（心、肝、脾、肺、肾）均无病理改变，AF127@FOH未引起机械或化学损伤，粘膜完整性良好。

**总结讨论**
本研究通过AF127@FOH原位水凝胶的合理设计，构建了一种适应环境的辐射防护策略。AF127水凝胶提供pH和温度双响应粘膜粘附与滞留，FOH纳米颗粒提供稳定高效的毒性自由基清除。经阴道给药后，AF127@FOH在粘膜表面快速凝胶化，持续释放FOH，有效抑制辐射诱导的粘膜氧化应激、预防上皮细胞凋亡、保护内源性抗氧化防御，维持阴道粘膜完整性；同时通过维持宿主粘膜环境，预防辐射诱导的微生物群失调。该工作为RIVI提供了一种高效、便捷的局部预防策略，以“材料-功能驱动微环境调控”为核心，建立了纳米医学预防辐射诱导粘膜损伤的新范式。

**研究结论**
翻译原文结论部分如下：
研究者的工作通过AF127@FOH原位水凝胶的合理设计，提出了一种适应环境的RIVI辐射防护策略。该水凝胶的功效源于其组分的互补效应：AF127水凝胶提供pH和温度双响应粘膜粘附与滞留，而嵌入的FOH纳米颗粒提供稳定、高效的有毒自由基清除。经阴道给药后，AF127@FOH在粘膜表面快速凝胶化，并在阴道内持续释放FOH；它有效抑制辐射诱导的粘膜氧化应激，预防上皮细胞凋亡，并有助于保护阴道组织的内源性抗氧化防御，从而维持阴道粘膜完整性。此外，通过维持宿主粘膜环境，该治疗还有助于预防辐射诱导的微生物群失调。研究者的工作为RIVI提供了一种高效、便捷的局部预防策略。以“材料-功能驱动微环境调控”为核心概念，该研究建立了纳米医学预防辐射诱导粘膜损伤的新范式。