浙江大学《AM》:基于微藻的复合水凝胶,治疗炎症性肠病及其相关焦虑和抑郁!

2024-02-01 BioMed科技 BioMed科技 发表于陕西省

浙江大学周民、路静&新加坡国立大学陈小元提出了一种口服水凝胶策略,用于共输送螺旋藻和蒽醌,通过调节微生物-肠-脑轴来治疗IBD及其相关的焦虑和抑郁。

炎症性肠病(IBD)患者表现出较高的精神障碍患病率,如焦虑和抑郁。然而,与IBD相关的精神障碍的病因尚不明确,有效的治疗策略尚未建立。在此,浙江大学周民、路静&新加坡国立大学陈小元提出了一种口服水凝胶策略(SP@Rh-gel),用于共输送螺旋藻(Spirulina platensis)和蒽醌(rhein),通过调节微生物-肠-脑轴来治疗IBD及其相关的焦虑和抑郁。SP@Rh-gel提高了药物的溶解性、释放特性和肠道滞留能力,从而显著提高了口服治疗效果。口服SP@Rh-gel能够抑制NF-κB-Caspase-1信号通路,减少肠道炎症,并重新平衡被破坏的肠道微生物群落,以维持肠道稳态。此外,SP@Rh-gel维持肠道屏障完整性,减少促炎细胞因子和脂多糖的释放,以及它们通过血脑屏障进入海马的途径,从而抑制神经炎症并维持神经可塑性。在慢性结肠炎小鼠模型中,SP@Rh-gel显著缓解了结肠炎症状以及焦虑和抑郁样行为。本研究展示了微生物-肠-脑轴在IBD伴发精神障碍发展中的重要作用,并提出了一种安全、简单且高效的治疗策略,用于管理IBD及其伴发的精神障碍。该研究题为“Microalgae-Based Hydrogel for Inflammatory Bowel Disease and Its Associated Anxiety and Depression”发表在《Advanced Materials》.

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该研究展示了一种自组装微藻/草药成分水凝胶(SP@Rh-gel)的制备策略,用于治疗炎症性肠病(IBD)及其相关的焦虑和抑郁。该策略涉及将蒽醌分子通过非共价相互作用自组装形成纳米纤维,然后加载螺旋藻(SP)形成具有三维网络结构的生物活性水凝胶。这种水凝胶通过调节微生物-肠-脑轴来治疗IBD及其伴随的焦虑和抑郁症状。研究结果表明,SP@Rh-gel能够显著改善药物的溶解性、释放特性和肠道滞留能力,从而提高口服治疗的有效性。此外,SP@Rh-gel通过抑制NF-κB-caspase-1信号通路减少肠道炎症,重新平衡肠道微生物群落,维持肠道稳态。同时,它还能维持肠道屏障的完整性,减少促炎细胞因子和脂多糖的释放,以及它们通过血脑屏障进入海马的途径,从而抑制神经炎症并维持神经可塑性。在慢性结肠炎小鼠模型中,SP@Rh-gel显著缓解了结肠炎症状以及焦虑和抑郁样行为,证明了微生物-肠-脑轴在IBD伴随精神障碍发展中的重要作用,并提出了一种安全、简单且高效的治疗策略。

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方案1:自组装微藻/草药成分水凝胶用于治疗炎症性肠病及其相关焦虑和抑郁

【SP@Rh-gel的合成与表征】

图1展示了SP@Rh-gel的合成过程和特性。首先,通过直接自组装方法合成了蒽醌水凝胶(Rh-gel),然后通过添加螺旋藻(SP)制备了负载SP的蒽醌水凝胶(SP@Rh-gel)。SP@Rh-gel的UV-Vis光谱显示了SP和Rh-gel的特征吸收峰,表明SP在水凝胶中保持了其结构完整性。药物释放研究显示,SP@Rh-gel在模拟肠道环境中实现了持续的蒽醌释放,而在模拟胃环境中释放较少,这表明了其在肠道中的靶向释放潜力。这些结果表明,SP@Rh-gel作为一种新型口服治疗策略,能够有效改善蒽醌的溶解性、释放特性和肠道滞留,为治疗IBD及其相关精神障碍提供了一种有前景的方法。

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图1.SP@Rh-gel的合成与表征

【SP@Rh-gel的荧光成像特性和生物分布】

图2展示了SP@Rh-gel的荧光成像特性和生物分布。研究者们首先评估了SP@Rh-gel在体外的荧光成像能力,发现SP@Rh-gel在蒽醌和SP的特定通道下均显示出强烈的荧光信号,而单独的蒽醌溶液(Rh-sol)和SP仅在其各自的通道下显示荧光。接着,通过在小鼠体内进行荧光成像,研究者们观察到SP@Rh-gel在胃肠道中的荧光信号强度和持续时间均高于单独的SP或Rh-sol,这表明SP@Rh-gel在胃肠道中具有更好的保留能力。此外,通过离体荧光成像,研究者们发现SP@Rh-gel在小鼠的主要器官(如心脏、肝脏、脾脏、肺、肾脏和胃肠道)中的分布,证实了SP在胃肠道中的局部化和避免在其他主要器官中的积累。这些发现表明SP@Rh-gel能够有效地在胃肠道中定位并释放药物,同时具有良好的生物相容性和生物分布特性。

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图2.SP@Rh-gel的荧光成像特性和生物分布

【SP@Rh-gel预防DSS诱导的焦虑和抑郁行为变化】

图3描述了SP@Rh-gel对DSS诱导的慢性结肠炎小鼠模型中焦虑和抑郁行为变化的影响。研究者们建立了一个慢性结肠炎模型,并在治疗期间对小鼠进行了行为测试。结果显示,与DSS组相比,SP@Rh-gel治疗组的小鼠在开放场测试(OFT)中表现出更多的中央区域停留时间,这表明其运动能力得到恢复。在高架十字迷宫(EPM)测试中,SP@Rh-gel组的小鼠在开放臂的停留时间和穿越频率显著增加,这反映了焦虑行为的减轻。在强迫游泳测试(FST)和尾部悬挂测试(TST)中,SP@Rh-gel组的小鼠的不动时间显著减少,这表明抑郁行为得到了缓解。这些结果表明,SP@Rh-gel能够有效地减轻由DSS诱导的慢性结肠炎小鼠的焦虑和抑郁样行为。

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图3.SP@Rh-gel预防DSS诱导的焦虑和抑郁行为变化

【SP@Rh-gel对结肠炎小鼠神经可塑性和海马成年神经生成的影响】

图4展示了SP@Rh-gel对慢性结肠炎小鼠海马神经可塑性和成年神经发生的影响。研究者们通过免疫荧光染色和西方印迹技术评估了海马区域的神经发生和微胶质细胞的激活状态。结果显示,DSS诱导的慢性结肠炎导致新形成的神经元数量减少,而SP@Rh-gel治疗显著增加了海马齿状回(DG)区域的BrdU+/NeuN+双阳性细胞和DCX阳性细胞的数量,表明神经发生得到促进。同时,Nissl染色显示DSS组的海马区域活神经元数量减少,而SP@Rh-gel治疗组的活神经元数量得到恢复。此外,DSS诱导的微胶质细胞激活(Iba1阳性细胞数量增加)在SP@Rh-gel治疗后显著降低,表明神经炎症得到抑制。这些发现表明SP@Rh-gel通过促进神经发生和抑制神经炎症,对慢性结肠炎小鼠的海马神经可塑性具有保护作用,这可能与其减轻焦虑和抑郁样行为的效果有关。

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图4.SP@Rh-gel对结肠炎小鼠神经可塑性和海马成年神经生成的影响

【SP@Rh-gel对肠道炎症的抗炎效果】

图5展示了SP@Rh-gel对DSS诱导的慢性结肠炎小鼠模型中肠道炎症的抗炎效果。研究者们通过建立慢性结肠炎模型,观察了SP@Rh-gel对小鼠体重变化、肠道炎症症状(如直肠出血和腹泻)、结肠长度、脾脏重量以及结肠组织病理学变化的影响。结果显示,SP@Rh-gel治疗显著减轻了小鼠的体重下降,减少了直肠出血和腹泻症状,延长了结肠长度,减轻了脾脏肿大。组织学分析显示,SP@Rh-gel治疗组的结肠组织结构更加完整,炎症程度降低。此外,免疫组化染色显示,SP@Rh-gel治疗减少了结肠组织中TNF-α、IL-6和IL-1β的表达,进一步证实了其抗炎效果。这些结果表明,SP@Rh-gel能够有效地减轻DSS诱导的慢性结肠炎症状,通过抑制炎症反应和促进肠道组织修复。

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图5. SP@Rh-gel对肠道炎症的抗炎效果

【SP@Rh-gel对DSS诱导的肠道上皮屏障功能障碍的保护作用】

图6探讨了SP@Rh-gel对DSS诱导的慢性结肠炎小鼠模型中肠道上皮屏障功能障碍的保护作用。研究者们通过免疫荧光染色评估了紧密连接蛋白的表达,并通过TEM观察了肠道上皮的微观结构。结果显示,DSS诱导的结肠炎导致紧密连接蛋白表达下降和肠道上皮屏障结构受损,而SP@Rh-gel治疗显著恢复了这些蛋白的表达,并保护了肠道上皮的完整性。此外,SP@Rh-gel还通过降低促炎细胞因子的表达和减少脂多糖的释放,减轻了肠道炎症。在LPS诱导的Caco-2细胞单层模型中,SP@Rh-gel提高了跨上皮电阻值,降低了FITC-葡聚糖4kDa的通透性,进一步证实了其对肠道屏障功能的保护作用。这些发现表明,SP@Rh-gel能够有效地维护肠道屏障的完整性,减少炎症介质的泄漏。

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图6. SP@Rh-gel对DSS诱导的肠道上皮屏障功能障碍的保护作用

【16S rDNA扩增子测序和粪便代谢组学分析】

图7展示了SP@Rh-gel对DSS诱导的慢性结肠炎小鼠模型中肠道微生物群落和代谢产物的影响。通过16S rDNA扩增子测序,研究者们分析了不同治疗组小鼠肠道微生物群落的多样性和组成。结果显示,SP@Rh-gel治疗显著调节了由DSS诱导的肠道微生物群落失衡,增加了有益菌的相对丰度,这些菌属与短链脂肪酸的产生和抗炎特性相关。同时,SP@Rh-gel降低了与炎症相关的Akkermansia和Monoglobus的丰度。代谢组学分析揭示了SP@Rh-gel治疗后,与炎症、焦虑和抑郁相关的代谢途径(如维生素B6代谢和牛磺酸及次牛磺酸代谢)发生了变化。这些结果表明,SP@Rh-gel通过调节肠道微生物群落和代谢产物,可能通过微生物-肠-脑轴影响宿主的炎症状态和神经行为,为IBD及其相关精神障碍提供了一种新的治疗策略。

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图7. 16S rDNA扩增子测序和粪便代谢组学分析

【SP@Rh-gel对体外增殖和神经突起生长的影响】

图8研究了SP@Rh-gel对体外培养的PC-12细胞和分离自小鼠的原代神经元细胞的增殖和神经突起生长的影响。研究者们通过免疫荧光染色观察了PC-12细胞中神经特异性标记物Tuj1的表达,以及原代神经元细胞的Tuj1荧光强度和TUNEL阳性细胞数量。结果显示,SP@Rh-gel处理的PC-12细胞表现出更长的神经突起和更多的分支,这表明神经突起生长得到促进。在原代神经元细胞中,SP@Rh-gel处理组的Tuj1荧光强度增加,TUNEL阳性细胞数量减少,这表明SP@Rh-gel能够增强神经元的存活和神经突起的生长,同时减少神经元凋亡。

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图8. SP@Rh-gel对体外增殖和神经突起生长的影响

【小结】

本研究提出了一种基于微藻和草药成分的口服水凝胶策略(SP@Rh-gel),用于共同输送螺旋藻和蒽醌,以治疗IBD及其相关的焦虑和抑郁。SP@Rh-gel通过改善药物的溶解性、释放特性和肠道滞留能力,显著提高了口服治疗的有效性。在DSS诱导的慢性结肠炎小鼠模型中,SP@Rh-gel通过抑制NF-κB-caspase-1信号通路,减少肠道炎症,重新平衡肠道微生物群落,维持肠道稳态。此外,SP@Rh-gel还通过维持肠道屏障完整性,减少促炎细胞因子和脂多糖的释放,以及它们通过血脑屏障进入海马的途径,从而抑制神经炎症并维持神经可塑性。研究结果表明,SP@Rh-gel显著缓解了结肠炎症状以及焦虑和抑郁样行为,证明了微生物-肠-脑轴在IBD伴随精神障碍发展中的重要作用,并提出了一种安全、简单且高效的治疗策略,为管理IBD及其伴随的精神障碍提供了新的视角。

原文链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202312275

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