纳米技术极大地促进了炎症性肠病（IBD）的诊断和治疗。 为了获得更好的治疗效果，本文开发了一种由多糖和金属酚网络（MPN）构建的纳米平台，以增强IBD模型中受损肠道区域的保留并调节全身免疫状态。 黄芪胶（GUM）中的多糖与铁配位，并进一步与紫草素（Shik）相互作用，得到一种名为 Shik-Fe@GUM 的纳米复合材料。 ShikFe@GUM 在发炎肠道区域表现出强烈而持久的积累，这在 IBD 患者、共培养细胞模型和活体动物的临床标本中得到了验证。 Shik-Fe@GUM 作为发炎组织或细胞中活性氧或氮的强清除剂，并通过细胞因子下调减轻局部和全身炎症状态。 此外，Shik-Fe@GUM 恢复受损结肠屏障的功能并减轻疾病活动指数。 还探讨了 Shik-Fe@GUM 的工作机制，基因测序结果显示 Shik-Fe@GUM 通过减弱主要炎症途径发挥治疗作用。 特别是，Shik-Fe@GUM 可以调节 IL-17RA 相关细胞信号传导并减少 Th17 细胞（T 辅助细胞 17）的募集。 这种多糖-金属-功能分子混合策略可广泛适用于其他IBD药物并提高其对患者的治疗指数。该研究以题为“A Polysaccharide Metal Phenolic Network Nanocomposite for Theranostic Applications in Inflammatory Bowel Disease”发表在Advanced Functional Materials上。
作为一种终生且几乎无法治愈的疾病，炎症性肠病（IBD）已成为现代医疗保健的全球负担IBD 的特点是复杂且异质的个体炎症状态（免疫失衡），由两种不同的实体组成——溃疡性结肠炎和克罗恩病。针对IBD已开发出多种治疗方案，特别是单克隆抗体或靶向（例如抗细胞因子）小分子，但这些治疗仍无法完全实现持久的疾病缓解，且副作用明显。越来越多的证据证实，与病理进展最相关的因素包括组织氧化损伤、肠粘膜屏障完整性、微生物状态、免疫平衡以及遗传或环境改变的其他后果。肠道微环境调节在IBD的发病机制中发挥着重要作用，因为致病菌或益生菌水平失衡会引发结肠炎的持续存在。 近年来，不同的微纳米级材料被设计出来，从不同角度解决IBD现有的治疗问题。这些材料的总体设计规则是恢复肠道的稳态。例如，发现大量的微米材料或纳米材料积极调节肠道微生物群的组成以治疗IBD。另一个重要因素是炎症性肠道区域的氧化还原状态，因为许多材料具有固有的活性氧(ROS) 清除能力，这很容易用于缓解IBD状况。此外，由于IBD的复发性，监测IBD的进展至关重要。 与当前的诊断/成像技术相比，纳米材料可以作为更灵敏的传感器或促进IBD的早期检测。从各种材料组成中，作者的注意力集中在以生物活性多酚为原料构建金属酚网络（MPN）材料上，以紫草素为代表，以进一步解决IBD中尚未解决的问题。紫草素经常被用作抗炎、抗氧化剂和抗癌剂，特别适合免疫调节场景。最近的一项研究表明，由川陈皮素构建的MPN已成功用于靶向调节溃疡性结肠炎的免疫状态。此外，五分之一的IBD患者患有缺铁，这与较差的疾病结果相关。然而，补充铁被认为会引起氧化应激，从而导致不良反应，尤其是口服铁制剂时。因此，作者希望建立一个基于MPN的纳米平台，也可以口服补充铁，同时最大限度地减少铁的副作用。 此外，作者之前的一项研究证实了紫草素和铁的协调纳米结构不仅可以调节局部免疫环境，而且表现出良好的生物相容性。在这项研究中，作者的目标是设计一个生物相容性平台来缓解肠道炎症状态，并具有相对较长的保留时间。
在这项工作中，作者选择黄芪胶（本研究中简称为GUM）中的多糖与紫草素铁MPN协同治疗IBD。 基于以往的大量研究，GUM可以在肠道区域具有较长的保留时间，并且作为选择性货物释放的结肠靶向药物递送系统非常有用。 此外，它表现出良好的保护肠道细胞免受
ROS引起的损伤的能力。 此外，某些不可消化的低聚糖可以通过肠道微生物群调节先天免疫，为IBD患者的慢性炎症状态提供益处。作者发现这种多功能纳米平台（名为Shik-Fe@GUM）可以作为ROS清除剂，同时与不同的免疫细胞相互作用以缓解IBD状况。
Scheme1. 该图说明了结肠靶向抗氧化剂纳米治疗药物 Shik-Fe@GUM 及其调节结肠炎的拟议机制。 口服的 Shik-Fe@GUM 通过静电相互作用粘附在发炎的上皮细胞上，定位在上皮细胞内，并通过转胞吞作用从上皮细胞中逃逸到粘液微环境。 它们在发炎结肠组织中的分布有助于通过清除活性氧、减少炎症免疫反应和限制免疫细胞浸润来调节肠道微环境。 这一过程有助于维持氧化还原稳态、减少炎症并恢复肠道上皮屏障功能。
图1.Shik-Fe@GUM 的合成和表征。（a）所制备的Shik-Fe@GUM 的示意图和ROS响应图。（b） Shik-Fe、Shik-Fe +1mmH2O2、Shik-Fe@GUM 和 Shik-Fe@GUM+1mmH2O2 的SEM 图像。（c）Shik-Fe、GUM、Shik-Fe@GUM、Shik-Fe +1mmH2O2和Shik-Fe@GUM+1mmH2O2在去离子水中的zeta 电位。（d）12 小时内从 Shik-Fe 和 Shik-Fe@GUM 中的 1 mmH2O2中释放铁（每组n = 3）。（e）Shik-Fe@GUM在不同时间点清除H2O2的紫外可见光谱的变化。（f，g）Shik-Fe、GUM 和 Shik-Fe@GUM的H2O2、DPPH 和 ABTS 清除活性 (n = 4)。（h）经过SGF (pH 2.0)、SIF (pH 6.8) 和 SCF (pH 7.4) 处理后，Shik-Fe@GUM (n = 3) 中铁的累积释放量。
图2. Shik-Fe@GUM 的体外细胞活力和抗炎作用评价。（a）用于监测结肠炎症状态的Transwell 系统示意图。（b）通过ELISA 测量培养基中的促炎细胞因子（TNF-α、IL-1β和IL-6）（n = 3）。（c）Caco-2 细胞和 Raw264.7 细胞与不同浓度的 Shik-Fe@GUM 一起孵育 24 小时 (n = 3) 的细胞活力。（d）使用Calcein-AM/PI 染色观察H2O2和各种材料处理24小时后Caco-2细胞和 Raw264.7 巨噬细胞的活/死状态。（e）在不同材料处理（Shik-Fe、GUM 和 Shik-Fe@GUM）下使用 DCFH-DA 染色评估 Caco-2 细胞和 Raw264.7 巨噬细胞的细胞内 ROS 水平。 数据表示为平均值±S.E.M。 *p<0.05； **p < 0.01； ***p < 0.001； ****p < 0.0001。
图3. GUM多糖的强粘膜粘附特性增强了 Shik-Fe 在发炎结肠中的积累。（a）用ICG@GUM治疗的发炎肠道的荧光图像（发炎肠道是从UC患者的手术标本中分离出来的，n = 4）。 （b）对照小鼠和 DSS 处理小鼠（每组 n = 3）口服给药后肠道内不同时间的 ICG 和 ICG@GUM 荧光强度曲线。（c）通过离体荧光成像收集的对照和 DSS 之间的 ICG@GUM 冒号分布（每组 n = 3）。（d）口服ICG@GUM后24小时收获的结肠的共焦荧光显微镜图像（红色区域）。（e）用 Shik-Fe@GUM 处理的体内或离体结肠中铁的定量结果 (n = 3)。（f）口服 PBS、Shik-Fe、GUM 和 Shik-Fe@GUM 24 小时后结肠组织的普鲁士蓝染色图像。 数据表示为平均值±S.E.M。 *p<0.05； **p < 0.01； ***p < 0.001； ****p < 0.0001。
图4. Shik-Fe@GUM 对 DSS 诱导的结肠炎的治疗效果评估。（a）示意性实验设计。 小鼠用水（健康对照）或含2.5% DSS的水喂养7天，并连续3天口服Shik-Fe@GUM（红点所示）。 所有小鼠在第 12 天被安乐死以进行进一步评估。（b）不同材料治疗后体重 (%) 和 （c）疾病活动指数 (DAI) 的变化（每组 n = 5）。（d）宏观结肠视图和 （e）不同材料处理后的结肠长度（每组 n = 5）。（f）每组结肠组织的代表性 H&E 染色和（g）PAS 染色图像。（h）occludin（红色）和ZO-1（绿色）的免疫荧光染色。（i）结肠中occludin 和ZO-1 的蛋白质印迹分析。（j，k）紧密连接相关蛋白（包括 ZO-1 和 occludin-1）的蛋白表达水平的定量。 不同蛋白质与微管蛋白相比的相对表达水平 (n = 3)。 数据表示为平均值±S.E.M。 *p<0.05； **p < 0.01； ***p < 0.001； ****p < 0.0001。
图5. Shik-Fe@GUM有效减少结肠炎引起的全身炎症。（a）TNF-α、IL-6、IL-1β（促炎因子）的免疫组织化学染色。（b）ROS 的免疫荧光染色（红色区域）。（c）通过 ELISA 测定测定小鼠血清中的 TNF-α、IL-6 和 IL-1α (n = 8) 和（d）MPO 水平 (n = 5)。 数据表示为平均值±S.E.M。 *p<0.05； **p < 0.01； ***p < 0.001； ****p < 0.0001。
图6. Shik-Fe@GUM 调节的 DSS 诱导的结肠炎的 RNA-seq 分析（每组 n = 3）。（a）火山图显示 DSS 组与对照组（左）和 DSS 相比差异表达基因（倍数变化 > 1.5；P 调整 < 0.05；上调基因：红色；下调基因：蓝色） 来自 RNA-seq 数据的组与 Shik-Fe@GUM 治疗组（右）的比较。（b）RNA-seq分析的热图显示了对照组、DSS组和Shik-Fe@GUM组中ROS相关基因的响应，右侧显示倍数变化值。（c）与健康对照组（左）相比，DSS 治疗组以及与 Shik-Fe@GUM 组（右）相比，KEGG 通路富集了 DSS 治疗组上调的基因。
图7.Shik-Fe@GUM 下调肠道微环境中的炎症免疫细胞。（a） 通过免疫荧光显示 UC 患者 (n = 4) 结肠中 Th17 浸润的示意图。（b）免疫荧光测定显示 DSS 诱导的结肠炎后小鼠结肠中 Th17 浸润（IL-17A 红色，CD4 绿色）。（c） DSS诱导的结肠炎小鼠结肠组织中Rorc-��t、IL-17A、ACT-1、总NF-��B p65和磷酸化-NF-��B p65 (P-NF-��B p65)表达的Western blot分析 , （c，d）的定量结果 (n = 3)。（e）结肠和脾脏中 CD3+CD4+IL-17A+ Thelper17 (Th17) 细胞的倍数变化，分别 (n = 5)。（f）Shik-Fe@GUM 与炎症细胞相互作用以产生抗炎作用的潜在机制示意图。 数据表示为平均值±S.E.M。 *p<0.05； **p < 0.01； ***p < 0.001； ****p < 0.0001。
本研究开发了由非消化性多糖（黄芪胶中）和紫草素铁MPN 制成的纳米复合材料，用于选择性治疗IBD。这种纳米复合材料（Shik-Fe@GUM）在临床标本和活体动物模型中都表现出在发炎结肠组织中选择性和持续积累。 Shik-Fe@GUM 在体外和体内逆转过量的 ROS 或 RNS，并通过与主要物质相互作用来调节局部和全身免疫炎症因子，特别是 IL-17A。 综合这些事实，Shik-Fe@GUM 被证实是一种有前途的 IBD 治疗方法，在靶向性、抗氧化作用和免疫调节方面具有优势。 尽管 Shik-Fe@GUM 上没有装载任何药物，但它可以容纳不同类别的分子，以供未来的临床转化。 此外，这种载体-金属-分子相互作用策略可以广泛适用于其他药物或功能分子，为IBD患者提供更多的临床选择。
论文链接（DOI）：
https://doi.org/10.1002/adfm.202416918
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