四川大学蒲雨吉《ACS Nano》：工程化的丁酸盐衍生聚合物纳米平台可治疗炎症性肠病

结肠上皮损伤和免疫反应失调是炎症性肠病(IBD)进展和恶化的关键因素。纳米靶向药物递送到发炎的肠粘膜已显示出诱导和维持结肠炎缓解的前景，同时最大限度地减少副作用。受到天然厚朴酚(Mag)优异的抗氧化和抗炎功效以及微生物群衍生的丁酸盐的肠道稳态调节的启发，四川大学蒲雨吉开发了一种 pH/氧化还原双重响应的富含丁酸盐的聚合物纳米颗粒 (PSBA)作为口服Mag递送系统用于IBD的联合治疗。PSBA显示出22%的高丁酸盐含量，并有效封装Mag。负载Mag的纳米颗粒(PSBA@Mag)表现出结肠pH值和还原响应药物释放，确保在结肠炎小鼠的结肠中有效保留和粘附。PSBA@Mag不仅使发炎结肠粘膜中的活性氧和炎症效应物水平正常化，而且还恢复了溃疡性结肠炎和克罗恩病小鼠模型的上皮屏障功能。重要的是，PSBA在体外和体内促进肠上皮细胞的迁移和愈合能力，使Mag在动物模型中的治疗效果敏感。此外，转录组学和代谢分析表明，PSBA@Mag通过抑制促炎细胞因子和趋化因子的产生并恢复脂质代谢来减轻炎症。此外，该纳米药物还通过抑制致病变形杆菌和志贺氏菌以及促进有益益生菌的增殖来调节肠道微生物区系。总体而言，该研究结果强调了丁酸酯功能化聚甲基丙烯酸酯作为多功能且有效的纳米平台的潜力，用于结肠药物输送和粘膜修复，以对抗IBD和其他胃肠道疾病。该研究题为“An Engineered Butyrate-Derived Polymer Nanoplatform as a Mucosa-Healing Enhancer Potentiates the Therapeutic Effect of Magnolol in Inflammatory Bowel Disease”发表在《ACS Nano》

该研究开发了一种口服丁酸偶联聚合物纳米平台来物理负载厚朴酚，用于可调的Mag/丁酸盐负载和抗炎症性肠病(方案1)。该研究选择了结肠pH/氧化还原双重响应性的聚乙二醇嵌段聚甲基丙烯酸甲酯作为聚合物骨架，因为PEG具有很强的亲水性和粘液穿透能力，而模拟聚甲基丙烯酸酯具有结肠pH响应性。丁酸酯通过二硫键连接到聚合物骨架上，所设计的富丁酸聚合物不仅可以通过引入疏水性丁酸盐自组装成纳米颗粒，而且可以响应炎症部位低的管腔氧化还原电位(−400 mV)和/或高水平的谷胱甘肽释放药物。PSBA通过调节聚合物中丁酸盐的含量来优化pH/氧化还原响应性药物释放行为。PSBA展示了Mag的一个很好的纳米载体。口服时，最佳的PSBA可以最大限度地减少酸性pH下Mag的胃释放和失活，并在炎症的结肠中经历对pH和氧化还原反应的Mag和丁酸的释放。同时，二硫化物的断裂可以产生含硫的聚合物，有望对炎症组织施加生物黏附，从而促进局部Mag和丁酸盐的积累，从而改善炎症缓解。总体而言，这种pH/氧化还原响应性和丁酸盐自供应聚合物代表着一种很有前途的口服纳米平台，具有智能药物输送和肠道内稳态调节功能，可增强抗结肠炎的疗效。

方案1.掺入厚朴酚的pH和氧化还原双重响应丁酸盐基聚合物纳米颗粒(PSBA@Mag)作为一种口服纳米药物，通过改善上皮屏障修复和缓解炎症来治疗炎症性肠病

【负载磁力的PSBA NPs的制备与优化】

在该设计中，使用富含丁酸盐的两亲性聚合物(PSBA)来物理负载Mag，并响应结肠pH值和发炎结肠中的氧化还原微环境特异性释放Mag和丁酸盐。为此，合成了一种氧化还原响应型含丁酸酯单体MSBA。有了这种单体，使用mPEG2k-Br作为大分子引发剂，对MSBA和甲基丙烯酸叔丁酯进行了原子转移自由基聚合。所得共聚物PSBA-tMBA进一步用三氟乙酸处理以除去叔丁基，得到结肠pH响应性聚甲基丙烯酸酯(PSBA)。为了优化PSBA衍生纳米粒子(NPs)的pH/氧化还原响应性和药物释放行为，三种具有不同MSBA/tMBA投料摩尔比(30:30、30:60、和60:30)被合成。由于PSBA具有良好的两亲性，该研究通过纳米沉淀法制备了空白和负载厚朴酚(Mag)的聚合物纳米粒子。考虑到在胃肠道的良好缓释性和GSH响应性，PSBA-63@Mag被用于以下研究中，为了清楚起见，将其表示为PSBA@Mag。

图1. PSBA的合成路线和表征

【细胞相容性和细胞对PSBA@Mag的摄取】

为了评估细胞摄取行为，制备了FITC标记的PSBA NPs (PSBA@FITC)，以通过荧光分析了解巨噬细胞的内化作用。结果表明PSBA@FITC被细胞有效内化。此外，结肠上皮细胞有效摄取纳米颗粒。

图2.RAW264.7细胞对FITC标记的PSBA-63的细胞摄取行为

【体外研究抗氧化、抗炎和促愈合评估】

接下来，该研究评估了PSBA@ Mag在经LPS处理的巨噬细胞中的抗炎作用，LPS是一种细菌衍生的抗原，可以通过NF-κB信号通路诱导强烈的炎症反应，从而导致ROS和促炎细胞因子的过量产生，例如如IL6、IL-1β和TNF-α。结果表明，PSBA中存在的丁酸盐通过上调紧密连接蛋白，在促进愈合方面发挥了有益的作用。

图 3. 体外抗炎和促愈PSBA@Mag特性

【口服纳米药物的结肠滞留】

延长结肠滞留和炎症靶向有利于口服纳米药物发挥潜在的长期抗炎作用。为了研究NPs的生物分布和靶向能力，采用FITC标记的PSBA来可视化口服灌胃后的生物分布。结果表明PSBA@Mag NPs可以实现有效的结肠保留。纳米颗粒对DSS治疗小鼠的结肠组织表现出优异的粘附力，验证并阐明了与健康小鼠相比，纳米药物在DSS诱导的结肠炎小鼠中的保留增强。总体而言，生物分布结果表明PSBA具有良好的结肠积聚能力，这鼓励进一步评估基于PSBA的纳米颗粒的体内抗结肠炎功效。

图 4. 口服PSBA@FITC NPs的结肠滞留

【PSBA@Mag在DSS诱导的急性结肠炎小鼠模型中的治疗效果】

受到NPs良好的抗炎和增强结肠保留作用的鼓舞，研究了NPs在DSS诱导的溃疡性结肠炎模型中的功效。结果证明PSBA@Mag通过改善Mag递送和PSBA介导的上皮修复来减轻 DSS诱导的急性结肠炎。

图 5. PSBA@Ma对DSS诱导的UC的治疗效果

【DSS-Colitis模型中PSBA@Mag NPs的转录组学、代谢组学和肠道细菌学分析】

为了进一步探讨PSBA@Mag NPs的治疗效果，收集了结肠组织和结肠内容物用于转录组学、代谢组学和肠道细菌分析。PSBA@Mag 治疗显着抑制TNF和MAPK信号通路，显着降低促炎细胞因子/趋化因子的表达，从而减轻炎症反应。代谢组学分析表明，PSBA@Mag通过调节脂质代谢发挥治疗功效，这对于维持微环境稳态至关重要。KEGG富集分析表明 PSBA@Mag NPs改善了甘油磷脂代谢，从而调节结肠微环境稳态，这与转录组学分析一致，其中脂质代谢相关途径显着上调。

图 6. PSBA@Mag和DSS组结肠组织的转录组学

此后，对结肠内容物进行16S rRNA基因测序，以研究PSBA@ Mag NPs对DSS触发的结肠炎小鼠肠道菌群的影响。维恩图结果显示，与健康小鼠相比，DSS诱导的结肠炎小鼠肠道微生物组中的物种数量减少，而PSBA@Mag的物种数量显着增加。主成分分析(PCA)进一步证实了DSS治疗组和健康组之间肠道菌群组成的显着差异，而PSBA@Mag NPs组更接近健康组。这表明PSBA@ Mag NPs调节DSS处理小鼠的肠道微生物组。总体而言，PSBA@Mag NPs协调了MAPK和TNF信号通路的调节以及肠道脂质代谢的恢复，从而促进免疫反应缓解和肠上皮修复。此外，口服 PSBA@Mag可以实现肠道微生物组的良好重新平衡，其特点是细菌多样性增加和有益益生菌丰度更高。总的来说，PSBA@Mag NPs 有效恢复了 DSS 结肠炎小鼠的肠道稳态并减轻了炎症。

图 7. 治疗后DSS-小鼠肠道菌群的16S rRNA(rRNA)测序分析

【PSBA@Mag对TNBS诱导的克罗恩病模型的治疗效果】

该研究进一步评估了PSBA@Mag在TNBS诱导的小鼠结肠炎模型中的治疗效果，该模型类似于CD病理模式。总体而言，TNBS动物模型结果确立了PSBA@Mag的结肠炎缓解功效，与之前的DSS诱导结肠炎研究一起证明了PSBA@Mag通过恢复上皮屏障和免疫稳态在 IBD治疗中的潜力。

图8. NPs对TNBS诱导的CD的治疗效果

【小结】

该研究开发了一种富含丁酸盐的结肠pH和还原双响应聚合物载体PSBA，用于有效负载厚朴酚并缓解结肠炎。PSBA的Mag负载能力为10%，大大增强了游离Mag的细胞相容性和血液相容性。PSBA@ Mag表现出结肠pH值和氧化还原反应性Mag释放，并在LPS和H₂O₂ 处理的巨噬细胞中表现出出色的抗炎和抗氧化功效。口服给药后，在DSS结肠炎小鼠中观察到PSBA@Mag的结肠滞留和生物粘附增强。除药物载体作用外，含有PSBA的丁酸盐在体外和体内均表现出上皮细胞的促愈合作用，有利于上皮层重建，并使Mag缓解结肠炎变得敏感，如DSS和TNBS诱导的结肠炎动物模型所示。PSBA@Mag治疗上调了粪便中的 SCFA水平，恢复了上皮屏障功能，并使炎症反应、脂质代谢和肠道细菌正常化。在接下来的研究中将通过合理设计聚合物结构来优化丁酸盐负载量，并进一步评估基于丁酸盐的合成聚合物在较高丁酸盐剂量下治疗IBD的疗效和安全性。总体而言，这种结肠pH响应、丁酸盐自供给聚合物是一种很好的粘膜愈合增强剂，代表了一种口服纳米平台，在结肠炎症靶向药物递送和IBD联合治疗方面具有巨大潜力。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c05732