甘露糖功能化Cu-BDC纳米杂化物负载5-氟尿嘧啶并经羧甲基纤维素水凝胶珠包覆：一种用于结肠癌靶向口服递送的pH响应平台

《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》：Mannose-Functionalized Cu-BDC Nanohybrid Loaded with 5-Fluorouracil and Coated by Carboxymethylcellulose Hydrogel Beads: A pH-Responsive Platform for Targeted Oral Delivery to Colon Cancer

　　

结直肠癌是全球第三大常见癌症，也是癌症相关死亡的第二大原因，这推动了针对抗癌药物结肠位点特异性释放的先进口服递送系统的研究兴趣。本研究通过Steglich酯化反应开发了甘露糖功能化的铜-苯二甲酸（Cu-BDC）金属有机骨架（M-Cu-BDC），实现了约8%更高的5-氟尿嘧啶（5-FU）包封效率（约92% vs. 未修饰Cu-BDC的84%）。将5-FU@M-Cu-BDC纳米杂化物通过Fe³⁺交联包封于pH敏感的羧甲基纤维素（CMC）水凝胶珠中，形成纳米复合物CMC/5-FU@M-Cu-BDC。体外模拟胃肠道（GIT）释放实验显示了优异的pH响应性：在pH 1.2（胃部保护）下泄漏率<20%，在pH 7.4（结肠阶段）下实现控制释放并达到峰值。由于增强的药物-MOF相互作用，甘露糖功能化体系表现出比非功能化对应物更缓慢、更持续的释放。对HT-29结直肠腺癌细胞的细胞毒性研究表明，游离5-FU具有最高的非特异性毒性，而包封制剂因控制释放而表现出降低的严重副作用。值得注意的是，在等效剂量下，CMC/5-FU@M-Cu-BDC表现出显著高于CMC/5-FU@Cu-BDC的细胞毒性，这归因于甘露糖受体介导的内吞作用（如CD206结合）改善了5-FU的胞内递送。这种生物相容性、甘露糖靶向的CMC包覆Cu-BDC平台为改善结肠特异性口服5-FU递送提供了一种有前景的策略，结合了延长控制释放、增强肿瘤选择性和降低脱靶毒性，用于结直肠癌治疗。

**基于甘露糖功能化Cu-BDC与CMC水凝胶复合平台的结肠癌靶向口服5-FU递送研究解读**

**一、研究背景与问题**

结直肠癌是全球第三大常见恶性肿瘤，也是癌症相关死亡的第二大原因。5-氟尿嘧啶（5-FU）作为结直肠癌的标准化疗药物，目前主要采用静脉推注方式给药。然而，这种全身性给药方式由于药物广泛的细胞毒性，常导致非结肠组织出现显著的脱靶副作用。结肠位点特异性口服递送5-FU有望通过增强局部疗效和降低全身暴露来缓解这些问题。然而，传统口服给药面临挑战，主要因为5-FU在胃肠道（GIT）中的吸收不稳定，因此亟需先进的口服递送系统来有效管理这一过程。

金属有机骨架（MOFs）因其高比表面积、可调控的孔结构和容纳治疗分子的能力，近年来作为生物医学应用的载体受到广泛关注。然而，单一MOF载体常面临药物释放不可控或载药量低等问题。将多孔MOF纳米载体与生物相容性聚合物基质整合，已成为实现高药物包封效率及持续位点特异性释放的有前景策略。羧甲基纤维素（CMC）作为一种水溶性阴离子纤维素衍生物，具有低毒性、优异pH敏感性和对淀粉酶及蛋白酶的抗性，能在胃肠道中维持结构完整性，适于靶向递送。在靶向策略中，甘露糖功能化因其残基可与甘露糖识别凝集素受体相互作用，增强纳米载体在结直肠癌模型中的细胞关联性而受到关注。

然而，现有研究存在重要空白：以往研究通常分别聚焦于pH响应CMC水凝胶或甘露糖修饰的纳米载体，而将甘露糖功能化Cu-BDC MOF整合至CMC水凝胶基质中用于口服5-FU递送的研究鲜有报道。此外，MOF孔隙率、甘露糖表面修饰和Fe³⁺交联CMC溶胀对包封效率、释放行为和初步抗癌性能的综合影响尚未得到系统研究。

**二、研究内容与主要结论**

本研究通过将甘露糖功能化Cu-BDC MOF制备成靶向纳米杂化物（5-FU@M-Cu-BDC），随后用pH敏感的CMC水凝胶包覆，开发了一种先进的口服5-FU递送载体。该设计的原理是将MOF的高载药能力与CMC水凝胶的保护性和pH响应性相结合，用于5-FU的潜在口服结肠靶向递送。研究在模拟胃肠道条件下评估了该系统的结构和性能。

主要结论包括：甘露糖功能化Cu-BDC（M-Cu-BDC）实现了约92%的5-FU包封效率，比未修饰Cu-BDC（约84%）高约8%；CMC包覆的纳米复合水凝胶珠（CMC/5-FU@M-Cu-BDC）在模拟胃肠道条件下表现出优异的pH响应性，在pH 1.2时药物泄漏<20%，在pH 7.4结肠阶段实现控制释放；甘露糖功能化体系比非功能化对应物表现出更缓慢、更持续的释放；在HT-29结直肠腺癌细胞上，CMC/5-FU@M-Cu-BDC在等效剂量下表现出显著优于CMC/5-FU@Cu-BDC的细胞毒性。该平台为结直肠癌治疗提供了一种结合延长控制释放、增强肿瘤选择性和降低脱靶毒性的有前景策略。

**三、主要技术方法**

研究人员的关键技术方法包括：通过溶剂热法合成Cu-BDC MOF；采用Steglich酯化反应将甘露糖功能化至Cu-BDC表面（M-Cu-BDC）；通过扩散辅助吸附机制将5-FU包封于MOF中；采用Fe³⁺离子交联法制备CMC基水凝胶珠包覆载药纳米杂化物；利用FT-IR、XRD、SEM、TEM和BET分析仪对材料进行系统表征；在模拟GIT条件下进行溶胀和药物释放研究；采用MTT法评估HT-29人结直肠腺癌细胞系的体外细胞毒性；采用DAPI染色荧光显微镜观察细胞核形态变化。样本来源为HT-29细胞系（人结直肠腺癌细胞）。

**四、研究结果**

**1. CMC/5-FU@M-Cu-BDC水凝胶珠的表征**

FT-IR光谱分析证实了甘露糖成功接枝到Cu-BDC表面，表现为O–H伸缩振动带增强和碳水化合物指纹区（1000–1200 cm^-1）吸收增强。5-FU载入后未改变MOF化学结构，表明药物通过非共价相互作用物理包封于多孔框架内。Fe³⁺交联后，复合物光谱中同时保留MOF相关峰和CMC特征带，证实5-FU@M-Cu-BDC成功均匀分散于CMC水凝胶基质中。

BET分析显示，Cu-BDC的比表面积为1119.00 m²/g，总孔容为0.671 cm³/g；甘露糖功能化后分别降至713.15 m²/g和0.5105 cm³/g，但仍保留I型等温线，确认微孔框架完整性。XRD分析表明M-Cu-BDC保留Cu-BDC的特征晶体结构，而CMC/5-FU@M-Cu-BDC复合物呈非晶态主导，证实MOF均匀包裹在无定形CMC基质中。SEM和TEM图像显示M-Cu-BDC保持立方晶体形态，水凝胶珠呈现高度皱褶、不规则和多孔的外部结构，纳米杂化物均匀嵌入聚合物基质中。

**2. 溶胀研究**

两种制剂均表现出显著的pH依赖性溶胀行为。在pH 1.2下，羧酸根质子化促进分子内氢键形成，导致网络收缩和低溶胀率，确保胃部有限药物释放。随着pH升至6.8和7.4，羧基去质子化产生静电排斥，扩展聚合物网络，显著增强溶胀。甘露糖功能化体系（CMC/5-FU@M-Cu-BDC）在所有pH值下溶胀率均略低于非功能化对应物，这归因于甘露糖引入的额外羟基与水凝胶基质形成额外氢键，增强局部交联密度并限制链流动性。

**3. 体外药物包封与释放研究**

Cu-BDC和M-Cu-BDC的5-FU包封效率分别约为84%和92%。甘露糖功能化提高了MOF表面亲水性，为药物吸附提供了更多有利的氢键位点，从而增强药物-表面相互作用。体外模拟GIT释放研究表明，两种体系均表现出优异的pH响应控制释放：pH 1.2时药物泄漏<20%，pH 7.4时释放加速。甘露糖功能化体系表现出更缓慢、更持续的释放，尤其在结肠阶段，归因于甘露糖-OH基团与5-FU官能团之间的额外氢键增强了MOF-药物亲和力。动力学分析表明，CMC/5-FU@Cu-BDC最符合Weibull模型（R²=0.9860），而CMC/5-FU@M-Cu-BDC最符合First-order模型（R²=0.9807），特征释放时间更长（t_d=6.57 h vs. 5.10 h），确认甘露糖功能化贡献了更慢、更持续的释放曲线。

**4. 细胞毒性研究**

MTT实验结果显示，游离5-FU表现出最高的非特异性细胞毒性。两种包封制剂在等效剂量下的细胞毒性均显著低于游离5-FU，反映了CMC水凝胶包覆的保护和速率控制功能。关键发现是，CMC/5-FU@M-Cu-BDC的细胞毒性显著高于CMC/5-FU@Cu-BDC，这可能与甘露糖功能化表面增加的亲水性和额外羟基改善纳米复合物与细胞微环境的相互作用有关。然而，由于未进行细胞摄取、游离甘露糖竞争抑制和甘露糖受体（CD206）表达研究，受体介导靶向机制不能直接确认，需进一步研究验证。

DAPI染色荧光显微镜观察结果与MTT结果一致：游离5-FU组细胞密度最低、核碎片化最广泛；CMC/5-FU@Cu-BDC组核碎片化程度较游离药物轻；CMC/5-FU@M-Cu-BDC组在制剂样品中表现出最显著的凋亡效应，核碎片化和染色质浓缩明显，表明甘露糖功能化纳米复合物具有改善的凋亡活性。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，甘露糖功能化体系增强的细胞毒性可能归因于甘露糖受体介导的内吞作用（如CD206结合）改善了细胞内5-FU递送，但该机制在本研究中属于推测而非直接证实。研究局限性包括：仅限于体外表征和细胞实验，未进行体内研究；未评估对非癌细胞的选择性毒性；Cu-BDC在生理条件下的直接稳定性研究未开展；甘露糖接枝密度未定量确定。未来研究需包括细胞摄取研究、竞争抑制实验、受体表达确认、体内药代动力学和组织分布研究，以及使用正常结肠上皮细胞系和多种结直肠癌细胞系验证治疗选择性和安全性。

研究结论：本研究成功开发了一种新型靶向口服5-FU递送平台，通过将甘露糖功能化Cu-BDC MOF（M-Cu-BDC）包封于pH敏感的CMC水凝胶珠中，实现了约92%的药物包封效率。体外模拟胃肠道释放研究证实了优异的pH响应性，在pH 1.2时具有稳健的胃部保护作用，在pH 7.4结肠阶段实现持续控制释放。甘露糖功能化体系表现出更缓慢、更持久的释放特征。在HT-29结直肠腺癌细胞上的细胞毒性评价显示，CMC/5-FU@M-Cu-BDC在等效剂量下表现出显著优于非功能化对应物的细胞毒性，最可能源于甘露糖受体介导的内吞作用增强了细胞内5-FU递送和治疗效力。综合来看，甘露糖靶向的CMC包覆Cu-BDC纳米杂化水凝胶珠是一种有前景、生物相容性的策略，用于5-FU的结肠位点特异性递送，具有改善肿瘤选择性、延长控制释放和降低脱靶毒性的优势，有望推进结直肠癌患者友好的口服化疗方案。