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2020-10-21 作者:現代工學院 來源:科學技術處

現代工學院魏輝教授課題組報道可口服CeO2@MMT納米酶用於靶向治療小鼠炎症性腸病


炎症性腸病(IBD)是一種難以治癒的慢性疾病,通常會引起結腸癌等更嚴重、更致命的疾病。常見的臨牀療法是利用小分子藥物、抗生素或抗體進行治療,但由於治療缺乏特異性,長期使用可能造成免疫反應、抗生素耐藥性、多併發症等問題。因此,亟待探索一種針對腸炎炎症部位的新型靶向治療方法。

目前,一種有效的治療策略是通過將帶負電荷的藥物和藥物載體組裝,再靶向到因炎症而導致正電荷蛋白質富集的結腸部位,從而清除活性氧(ROS)以減輕炎症。基於這種思路,本研究通過將具有ROS消除活性的氧化鈰(CeO2)納米酶與天然負電性的蒙脱土(MMT)相結合,設計了一種可口服的CeO2@MMT納米酶藥物,實現了各組分的優勢互補,在小鼠炎症性腸炎模型中表現出了良好的改善能力。

本研究通過在蒙脱土(MMT)上原位生長氧化鈰納米顆粒(CeO2 NPs),成功合成了針對炎症部位的CeO2@MMT納米酶靶向治療藥物(圖1b)。CeONPs帶正電荷,因此對結腸炎症區不具備特異性,而超小尺寸也使得其容易被胃腸道快速吸收,相關副作用增加。通過與MMT結合,顯著抑制了CeONPs的全身吸收現象,降低了其潛在的納米毒性,同時也賦予了MMTROS消除能力。因此,CeO2@MMT實現了“1+12”的效果,其在葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導的小鼠炎症性腸病模型中起到了良好的改善效果(圖1a1c)。

圖1 治療炎症性腸病(IBD)的口服CeO2@MMT納米酶的設計和合成。(a)口服CeO2@MMT治療患有IBD的小鼠;(b)通過將氧化鈰納米顆粒(CeO2 NPs)原位生長到MMT片層上來合成CeO2@MMT;(c)CeO2@MMT對IBD的治療作用。左:潰瘍性結腸炎的症狀包括粘液耗竭,帶正電荷的蛋白質積累,上皮細胞層通透性增加,ROS、促炎性巨噬細胞(M1型)以及細胞炎症因子(IL-1β, IL-6,iNOS等)的含量上升。中:帶負電荷的CeO2@MMT(1:9)對帶正電荷的發炎結腸具有靶向作用。通過靜電結合作用,CeO2@MMT利用CeO2 NPs的類多酶活性清除升高的ROS。右:在CeO2@MMT干預後,受損的結腸上皮組織得以部分修復,而促炎性巨噬細胞(M1型)和細胞炎症因子(IL-1β,IL-6,iNOS等)減少,抗炎性巨噬細胞(M2型)和細胞抗炎因子(例如:IL-10)增加。

通過對CeO2@MMT納米酶的結構表徵發現,CeO2 NPs可以在不破壞完整性的基礎上在MMT表面良好生長(圖2c),且MMT片上的CeO2 NPs與遊離CeO2納米粒子相比分散性更好,粒徑更小(圖2a)。此外,CeO2@MMTCe3+含量比例較遊離CeO2有一定上升,這表明其具有更加良好的類酶活性(圖2b)。進一步測試CeO2@MMT納米酶的類SOD、類CAT活性可以發現,其對參與IBD的代表性ROSO2-H2O2以及OH均表現出較強的清除能力(圖2e2f2g)。

圖2 CeO2和CeO2@MMT的結構表徵及ROS清除活性情況。(a)TEM圖像;(b)Ce3+的比例和粒徑;(c)XRD測試;(d)Zeta電位;(e)類SOD活性;(f)類CAT活性;(g)OH清除活性測試。

在胃腸的強酸環境下能否保持結構穩定,決定了納米藥物是否能通過口服治療IBD。通過在模擬胃液(SGFpH = 1.2-1.5HCl溶液)環境下測試CeO2@MMT納米酶經胃液處理後的結構和性能的變化(圖3)可以發現,隨着溶液pH的上升,CeO2@MMT出現了從凝膠狀向液相的轉變,這種獨特的相變行為使其能夠保持結構的完整性,在不同的pH值下均能保持負電性。此外,處理後的CeO2@MMT仍保持ROS清除活性,保留了75.91%的類SOD活性、79.31的類CAT活性和30.34%OH清除活性。

3 CeO2CeO2@MMT在消化道模擬液中的穩定性。(a)口服CeO2@MMT通過消化道的過程。插圖:模擬胃液(即pH = 1.2-1.5溶液)和模擬結腸液(即pH = 7.8-8.2溶液)中CeO2@MMT的狀態照片;(b)在37 ℃下用鹽酸溶液(pH ≈ 1.2)處理4小時的CeO2@MMTTEM圖像;(cCeO2@MMT在不同模擬液中的Zeta電位(胃:pH ≈ 1.2;結腸:pH ≈ 8.2);(d)用模擬胃液(即pH = 1.2-1.5溶液)處理後,CeO2@MMTROS清除活性。保留活性 = SGF處理後的活性/SGF處理前的活性。

與健康的結腸上皮組織相比,帶負電荷的CeO2@MMT更優先粘附於帶正電荷的炎症組織,這一點在體外模擬和DSS誘導的小鼠炎症結腸上皮組織離體檢測中得到了證實。CeO2@MMT可以在小鼠體內靶向定位於帶正電荷的炎性粘膜表面(圖4),這歸因於其和炎症組織之間的靜電相互作用。

圖4 CeO2@MMT納米酶對炎性粘膜的優先黏附作用。(a)小鼠治療實驗方案。用DSS(2%, wt /v)作為飲用水,持續6天,誘發IBD。在第6天,給小鼠口服CeO2@MMT;(b-c)健康和發炎的粘膜示意圖;(d-f)將CeO2@MMT在37°C下孵育到未包被,羧基修飾(帶負電荷,模擬健康的上皮)和氨基修飾(帶正電荷,模仿發炎的上皮)聚合物3小時後的EDS圖像;(g)健康小鼠腸道粘膜的Bio-TEM圖像;(h-i)口服CeO2@MMT治療後36小時,健康和炎症小鼠粘膜的Bio-TEM圖像。

最後,研究了CeO2@MMT 對小鼠炎症性腸炎的體內治療效果(圖5)。與MMTCeO2相比,CeO2@MMT顯示出了最明顯的改善效果,抑制了小鼠的腹瀉和便血情況,其作用機制是通過消除ROS以實現促炎性細胞因子的降低和抗炎性細胞因子的增加以緩解炎症情況。與遊離的CeO2 NPs相比,CeO2@MMT的體內生物相容性也更為優良,全身吸收顯著減小,再次證明了實驗設計的優勢。

圖5口服CeO2@MMT對IBD小鼠的治療。(a)DSS誘導的IBD小鼠模型。在第5、7和9天,給小鼠口服H2O或指定的納米酶(以黃線表示);(b)每日體重變化監測,共11天。紅色矩形表示在第10天和第11天的小鼠死亡;(c)小鼠結腸長度變化(第11天);(d)在第11天用蘇木精和伊紅染色處理小鼠結腸病理切片;(e)分別用H2O、MMT、CeO2和CeO2@MMT處理後(第11天)的健康小鼠和IBD小鼠的直腸區域的代表性照片;(f-g)結腸勻漿中促炎性細胞因子(IL-1β)和抗炎性細胞因子(IL-10)的濃度;(h)治療11天后,來自健康和IBD小鼠血清的Ce/Fe之比。

本研究製備了一種具備ROS有效清除活性、消化道高穩定性和結腸炎症部位靶向能力的口服CeO2@MMT納米酶藥物。這種新型的納米酶藥物設計方法彌補了CeO2MMT各自的缺陷,將兩者的性能優勢最大化結合,產物呈現出了顯著的小鼠結腸炎模型改善能力。未來,可以將具有ROS清除能力的其他納米酶用於IBD的研究治療,以MMT及類似粘土礦物作為潛在的載體材料進行材料設計。探索將ROS清除納米酶與其他靶向部分結合用於抗炎治療,以提高納米酶用於疾病治療的高效性和安全性,成為未來納米醫學研究領域的一種新的治療策略。

研究工作近日發表在Advanced Functional Materials上,受到了領域內的廣泛關注。南京大學現代工程與應用科學學院的魏輝教授為文章的通訊作者。南京大學醫學院附屬鼓樓醫院的蔣青團隊為本研究工作提供了重要的幫助和支持。魏輝教授課題組的博士研究生趙升為本論文的第一作者。蔣青教授課題組的李逸軒博士、長春應用化學研究所的杜衍研究員課題組的博士研究生劉全藝和魏輝教授課題組博士研究生李思蓉等為本工作提供了重要的幫助與支持。該研究工作得到了國家自然科學基金項目、江蘇省自然科學基金項目、生命分析化學國家重點實驗室開放基金項目、國家重點研發計劃基金項目、江蘇高校優勢學科建設工程基金項目、配位化學國家重點實驗室開放基金項目、中央高校基本科研業務費專項資金項目。 

原文:

An Orally Administered CeO2@Montmorillonite Nanozyme Targets Inflammation for Inflammatory Bowel Disease Therapy. Adv. Funct. Mater. 2020, 2004692. //doi.org/10.1002/adfm.202004692