《Acta Biomaterialia》：M2 macrophage-based biohybrid system regulates intestinal microbiota homeostasis and immunity for the treatment of inflammatory bowel disease
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摘要炎症性肠病（IBD）的发病机制涉及由氧化应激、微生物失衡和免疫失调驱动的恶性循环。因此，恢复肠道微生物群的平衡与免疫平衡对于维持肠道健康及实现疾病长期缓解至关重要。在本研究中，研究人员构建了一种基于M2巨噬细胞的生物混合系统（GaInMg@PDA@M2），旨在对这些多重病理途
摘要
炎症性肠病（IBD）的发病机制涉及由氧化应激、微生物失衡和免疫失调驱动的恶性循环。因此，恢复肠道微生物群的平衡与免疫平衡对于维持肠道健康及实现疾病长期缓解至关重要。在本研究中，研究人员构建了一种基于M2巨噬细胞的生物混合系统（GaInMg@PDA@M2），旨在对这些多重病理途径实现协同干预。该系统利用具有天然炎症趋向性的M2巨噬细胞作为递送载体，这些载体负载着由液态金属（GaIn）、镁离子（Mg2?）和多巴胺（PDA）构成的多功能纳米颗粒（GaInMg@PDA）。这些纳米颗粒能有效清除活性氧，并与GaIn成分共同发挥协同抗菌作用，同时释放出的镁离子还能进一步促使巨噬细胞向抗炎型的M2表型极化。在DSS诱导的小鼠结肠炎模型中，GaInMg@PDA@M2能够精准作用于患病的结肠组织，显著改善临床症状，包括疾病活动指数、结肠缩短程度以及组织病理学损伤。其治疗机制包括下调促炎细胞因子、上调抗炎细胞因子、增强抗氧化酶活性、恢复肠道紧密连接蛋白的表达，以及重新平衡肠道微生物群平衡。这种“细胞定向迁移与多效协同”策略是一种精准的治疗手段，有望打破IBD的恶性病理循环。
研究意义
炎症性肠病（IBD）是由氧化应激、微生物失衡和免疫失调构成的恶性循环所驱动的，因此恢复肠道生态系统的平衡是治疗中的重大挑战。传统疗法往往缺乏针对性，或因存在系统性副作用、非特异性免疫抑制以及疗效随时间下降等问题，无法同时解决这些相互关联的病理问题。为此，亟需采用一种多靶点策略，同时应对氧化应激、纠正微生物失衡并消除炎症，从而打破这一恶性循环。为此，研究人员开发了一种基于M2巨噬细胞的生物混合系统，旨在对这些关键病理途径实现协同干预，克服传统药物的局限性，实现对多种核心疾病机制的同时调控。
引言
炎症性肠病（IBD）包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，是一组慢性、反复发作的胃肠道疾病[[1], [2], [3]]。这类疾病的特征为免疫反应失调、持续性氧化应激以及肠道微生物组的紊乱[4,5]。IBD的发病机制十分复杂且由多种因素共同作用，表现为黏膜屏障受损、促炎免疫细胞浸润以及过量活性氧的产生，这些因素共同营造出一个高度炎症化和氧化应激的微环境[6,7]。与此同时，微生物失衡以及病原体通过受损的上皮组织迁移，会进一步加剧炎症反应，给有效治疗带来极大困难。目前常用的治疗方法，如氨基水杨酸、皮质类固醇和生物制剂，往往因存在系统性副作用、非特异性免疫抑制以及疗效随时间下降等问题，难以取得理想的治疗效果[8]。因此，迫切需要采用一种多靶点策略，同时应对氧化应激、纠正微生物失衡并消除炎症，从而打破IBD的恶性循环。这种策略旨在恢复肠道微生物群的平衡与免疫系统的稳定，因为健康的微生物组与有序的免疫系统之间的共生关系，是维持肠道健康及实现疾病长期缓解的基础[9,10]。
纳米技术为突破传统药物在IBD治疗中的局限性提供了新的解决方案[11]。金属和聚合物纳米颗粒便具有这样的潜力，它们具备天然的生物活性，能够直接针对疾病病理机制并调节肠道微生物群[[12], [13], [14]]。例如，镓铟（GaIn）液态金属合金可通过模拟铁的作用来发挥其功效[[15], [16], [17]]。它能够进入细菌的代谢途径，取代铁元素并竞争性抑制依赖铁的酶，从而干扰细菌的能量产生和DNA复制。这一机制不仅对多重耐药病原体具有强大的抗菌作用，还能有效规避传统的抗生素耐药机制。作为代表性聚合物的多巴胺（PDA）也具有多种适用于IBD治疗的特性[16,18]。它可通过清除活性氧来有效减轻氧化应激对肠道组织的损伤[19]。同时，PDA还能通过破坏细菌细胞膜的物理化学特性来提升整个系统的抗菌效果，此外还能间接抑制与氧化应激相关的炎症通路，如NF-κB通路，进而增强抗炎反应。当这些成分与GaIn液态金属结合形成纳米平台时，它们会展现出显著的协同效应。GaIn合金与PDA在抗菌作用上形成互补，通过代谢干扰和物理破坏两种方式共同抑制病原体。这种多组分、多靶点的协同策略使得该纳米系统能够同时应对微生物失衡、氧化应激以及异常炎症问题，显示出其在IBD治疗方面的巨大潜力。
细胞介导的药物递送技术已成为靶向治疗领域的突破性策略[20,21]。在各种细胞类型中，巨噬细胞在IBD的发病机制及疾病缓解过程中都发挥着关键作用[4,13,22,23]。巨噬细胞具有天然趋向炎症部位的特性。它们能响应来自受损组织的趋化因子信号，主动穿越生物屏障并浸润到炎症部位[24]。人们正是利用了巨噬细胞的这种天然定向迁移能力，将其用于将药物精准递送至发炎的结肠部位。此外，巨噬细胞还表现出极高的可塑性，其表型可在促炎型的M1型和抗炎型的M2型之间转换[25]。在IBD中，巨噬细胞往往偏向于M1状态，这会持续造成组织损伤。而M2巨噬细胞则在免疫调节中起着核心作用。它们会分泌抗炎细胞因子，促进组织修复和血管生成，还有助于恢复免疫系统的平衡[26]。利用M2巨噬细胞的这些功能特性，可将其作为更高效的药物递送载体[27]。通过体外方法将巨噬细胞极化为M2表型，即可将其转化为“活体药物载体”。此外，金属离子本身也具有调节免疫的作用，尤其镁离子（Mg）能够促使巨噬细胞向抗炎型的M2表型极化，从而直接有助于消除炎症并促进组织修复。此外，镁离子还能通过主动营造有利于M2表型形成的、具有修复作用的免疫环境，进一步增强这种免疫调节作用，形成正反馈循环，进一步强化M2巨噬细胞递送载体的抗炎效果[28]。
本研究旨在开发一种基于M2巨噬细胞生物混合体的细胞导航精准治疗系统，以应对IBD复杂的病理特征，即氧化应激、微生物失衡以及微环境中的炎症反应相互交织的情况（见图1）。该系统利用具有天然炎症趋向性的M2巨噬细胞作为递送载体，这些载体负载着由液态金属（GaIn）、镁离子（Mg2?）和多巴胺（PDA）构成的多功能纳米颗粒（GaInMg@PDA）。该设计充分利用了M2巨噬细胞向炎症部位定向迁移的天然特性，使它们能够穿越复杂的生理屏障，精准聚集在患病的肠道区域，从而显著提高治疗的针对性和效率。当这些纳米颗粒到达炎症部位后，会通过一种复杂的协同机制恢复肠道微生物群的平衡与免疫系统的稳定：PDA外壳可作为高效的活性氧清除剂，迅速减轻局部氧化应激；GaIn合金则与PDA协同作用，通过破坏病原菌的细胞膜结构并干扰其代谢过程，有效重塑肠道微生物群的平衡；与此同时，持续释放的镁离子还能通过促进M2表型极化，进一步助力抗炎免疫微环境的形成。这种“细胞导航-多疗法”策略突破了传统单靶点药物在应对IBD复杂病理机制方面的局限性，实现了对多个关键疾病机制的同步干预。
章节要点
GaInMg@PDA纳米颗粒的合成
GaInMg@PDA纳米颗粒的合成方法如下：首先将200毫克的GaIn、4毫克的MgCl?以及8毫克的多巴胺盐酸盐溶解在7毫升的水乙醇混合溶液中（体积比为5:4）。将该溶液置于冰浴中冷却，然后以100瓦的功率进行探针超声处理，持续40分钟。随后，在室温下向悬浮液中加入7毫升pH值为8.0的Tris-HCl水溶液，再通过磁力搅拌持续18小时。反应完成后，即可得到目标产物
GaInMg@PDA的合成与表征
GaInMg@PDA是在Tris-HCl溶液中，通过多巴胺在掺镁的GaIn纳米颗粒表面发生自聚反应而制备的[29]。这些纳米颗粒的平均直径约为197纳米（见图2A），其Zeta电位为41.63毫伏。经过一周的时间，GaInMg@PDA颗粒的尺寸基本保持不变，这说明该材料具有较高的稳定性（见图2B）。此外，研究人员还检测了该材料在模拟血液环境以及与肠道相关的生理/病理条件下的稳定性
结论
总而言之，通过将多功能GaInMg@PDA纳米颗粒封装到M2巨噬细胞中，研究人员成功设计出一种具有靶向免疫调节和修复功能的生物混合系统。该生物混合载体利用M2巨噬细胞天然的定向迁移能力，将药物精准递送至发炎的结肠部位。纳米颗粒核心部分所含的镁离子可增强免疫调节作用，而多巴胺则能发挥活性氧清除功能，二者共同作用，通过多种机制有效重塑炎症微环境
补充信息
关于化学试剂、细胞与动物模型、实验方案以及仪器参数的详细信息，均可在补充资料中找到。
CRediT作者贡献说明
荣玉梅：撰写——初稿、方法学、研究实施、正式分析、数据整理。肖文杰：撰写——初稿、验证、研究实施、正式分析、数据整理。王楠：方法学、研究实施、正式分析、数据整理。张飞宇：研究实施、正式分析。张岩：软件应用、方法学、研究实施。黄鹏宇：资源提供、资金筹集。朱敦万：结果可视化、资源提供、项目管理。董霞：撰写——审稿与
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