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治疗溃疡性结肠炎的“一石二鸟”口服纳米疗法

BCML速递 · 公众号 · · 2024-11-13 22:20

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溃疡性结肠炎（ Ulcerative Colitis, UC ）是一种慢性非特异性炎症性肠病，通常影响结肠和直肠的黏膜层。其确切原因尚不完全清楚，但普遍认为与遗传、免疫系统失调和环境因素有关。在 UC 患者中，免疫系统常错误地攻击肠道黏膜，导致慢性炎症。目前， UC 的治疗目标是控制炎症、缓解症状、维持缓解期以及改善生活质量。治疗方法包括药物治疗、手术治疗和生活方式的改变。然而，传统小分子治疗药物或生物基免疫抑制药物的频繁和长期使用可能导致严重并发症，如机会性感染、恶性肿瘤、自身免疫和肝毒性。基于此，清华大学邢新会、王怡以及张灿阳教授团队开发了一种特定靶向的口服纳米治疗剂，旨在通过靶向肠道整合素和调节氧化还原平衡来治疗 UC 。这项研究利用了纳米技术的优势，开发了一种具有 “ 一石二鸟 ” 效果的治疗方法，不仅为 UC 治疗提供了新的选择，也为其他慢性炎症性疾病的治疗提供了新的思路。

首先作者展示了纳米治疗剂的制备步骤：首先是形成氧化敏感的 ε- 聚赖氨酸纳米粒子（ OPNs ），然后在其表面包裹带正电的壳聚糖（ CS ）形成 OPNs@CS ，最终在 OPNs@CS 表面包裹带负电的低分子量肝素（ LMWH ），得到 OPNs@LMWH 纳米粒子（图 1 A ）。并通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜揭示了纳米粒子的形态，可见其为平均粒径约 600 纳米的球形核心 - 壳结构（图 1 B ）。并通过随后的能量色散 X 射线光谱图像显示了纳米粒子中不同元素的分布，证明了 OPNs@LMWH 的组成。动态光散射以及 zeta 电位分析结果揭示了纳米粒子的粒径和表面电荷，表明 OPNs@LMWH 具有较低的多分散指数和通过表面修饰所实现的电荷反转（图 1 D-E ）。随后作者通过示意图阐释了 OPNs@LMWH 口服给药后在体内的双重作用机制：即纳米粒子在结肠炎炎症部位的靶向积聚，并且通过与炎症相关的整合素 αM 的特异性相互作用调节肠道的氧化还原平衡（图 1 F-G ）。

在结肠炎模型小鼠中可以发现 OPNs@LMWH 纳米粒子被 M1 型巨噬细胞摄取并且在炎症组织中聚集的过程。在共聚焦显微镜中可发现，与未修饰的 OPN 相比， OPNs@LMWH 在用 M1 型巨噬细胞中的摄取效率显著增强，而使用抗整合素 αM 抗体预处理细胞后， OPNs@LMWH 的摄取减少，证实了 LMWH 涂层在促进细胞摄取中的关键作用，同时流式细胞仪显示出相似的结果（图 2 A-B ）。通过体内成像系统可以观察到标记的 OPNs@LMWH 在结肠炎模型小鼠体内的保留时间较健康小鼠更长，并且其信号强度在 12h 达到峰值，表明 OPNs@LMWH 在炎症结肠组织中具有更好的积聚能力（图 2 C-D ）。在小鼠处死后的结肠组织同样观察相似的现象（图 2 E-F ）。对经标记的 OPNs 以及 OPNs@LMWH 处理后 24 小时的结肠组织冰冻切片观察可见正常小鼠结肠组织中几乎没有粒子残留，而结肠炎模型小鼠结肠组织中 OPNs@LMWH 不仅在炎症部位积聚，还深入到了粘膜下层的炎症细胞浸润区域（图 2 G ）。这些发现表明， OPNs@LMWH 纳米粒子通过整合素 αM 介导的机制在炎症结肠组织中实现了特异性积聚。

接下来作者展示了 OPNs@LMWH 纳米粒子对活性氧（ ROS ）和促炎细胞因子的抑制作用。对细胞进行炎症激活，并经过不同组别处理后，可通过荧光显微镜发现经 OPNs@LMWH 处理的细胞显示出更低的 ROS 荧光强度，并通过流式细胞仪分析进一步定量了 ROS 阳性细胞的百分比和荧光强度（图 3 A-D ）。接下来评估了纳米粒子对细胞中过氧化氢（H2O2）诱导的凋亡的保护作用，在经 H2O2 处理后，再用 OPNs 或 OPNs@LMWH 处理，然后通过染色检测凋亡细胞荧光强度可以发现， OPNs@LMWH 与 OPNs 相比，具有相似的细胞外 ROS 清除能力，对 H2O2 诱导的细胞凋亡具有保护作用（图 3 E-F ）。此外，在用脂多糖刺激后产生的促炎细胞因子中，通过检测白细胞介素 -6 （ IL-6 ）和肿瘤坏死因子 -α （ TNF-α ）浓度，可以发现 OPNs@LMWH 处理的细胞培养上清中 IL-6 和 TNF-α 的浓度显著降低，与前述结果相似（图 3 G-H ）。

在结肠炎小鼠模型中可以发现，治疗过程中 OPNs@LMWH 治疗组的小鼠体重损失显著减少，表明其对结肠炎症状有较好的缓解作用（图 4 A-B ）。对小鼠的结肠和脾脏观察可发现 OPNs@LMWH 处理后，小鼠的结肠长度增加并且脾脏体积下降，组织学评分表现出相似的结果（图 4 C-H ）。

最后作者揭示了 OPNs@LMWH 纳米粒子恢复肠道稳态和保护结肠上皮的机制。通过 ELISA 检测模型小鼠组织中的 IL-6 、 TNF-α 和 IL-1β 等促炎细胞因子浓度可以发现 OPNs@LMWH 治疗显著降低了这些细胞因子的水平，表明其在减轻炎症方面的有效性（图 5 A-D ）。后续的免疫组化和免疫荧光染色观察到该治疗减少了 MPO 和 p-STAT3 的阳性细胞比例以及小鼠结肠上皮细胞增殖的增多和凋亡的减少（图 5 E-K ）。

综上，研究人员已经成功验证了 OPNs@LMWH 纳米粒子在结合低分子量肝素（ LMWH ）的基础上，通过整合素靶向和调节肠道氧化还原稳态的双重作用，展现出显著的疗效。这一成果不仅凸显了 OPNs@LMWH 在治疗 UC 方面的应用潜力，而且，研究还特别强调了利用口服 LMWH 作为整合素靶向治疗 UC 的可行性与灵活性，这为未来通过口服途径治疗 UC 提供了新的思路。相信这种基于 LMWH 的纳米粒子的模块化设计，其简单性和可调性可能激发更多关于自身免疫疾病整合素靶向治疗策略的研究。这一创新性的方法为开发新型治疗方案提供了广阔的前景，有望为 UC 患者带来更为精准和有效的治疗选择。

论文信息： Huang L, Hu W, Huang LQ, Zhou QX, Song ZY, Tao HY, Xu B, Zhang CY, Wang Y, Xing XH. "Two-birds-one-stone" oral nanotherapeutic designed to target intestinal integrins and regulate redox homeostasis for UC treatment. Sci Adv 2024, 10(30): eado7438.

供稿：陆凯

审校：陈嵩

编辑：季威