现代工学院魏辉教授课题组报道可口服CeO2@MMT纳米酶用于靶向治疗小鼠炎症性肠病

发布者:袁敏敏发布时间:2020-10-22

炎症性肠病(IBD)是一种难以治愈的慢性疾病,通常会引起结肠癌等更严重、更致命的疾病。常见的临床疗法是利用小分子药物、抗生素或抗体进行治疗,但由于治疗缺乏特异性,长期使用可能造成免疫反应、抗生素耐药性、多并发症等问题。因此,亟待探索一种针对肠炎炎症部位的新型靶向治疗方法。

目前,一种有效的治疗策略是通过将带负电荷的药物和药物载体组装,再靶向到因炎症而导致正电荷蛋白质富集的结肠部位,从而清除活性氧(ROS)以减轻炎症。基于这种思路,本研究通过将具有ROS消除活性的氧化铈(CeO2)纳米酶与天然负电性的蒙脱土(MMT)相结合,设计了一种可口服的CeO2@MMT纳米酶药物,实现了各组分的优势互补,在小鼠炎症性肠炎模型中表现出了良好的改善能力。

本研究通过在蒙脱土(MMT)上原位生长氧化铈纳米颗粒(CeO2NPs),成功合成了针对炎症部位的CeO2@MMT纳米酶靶向治疗药物(图1b)。CeO2NPs带正电荷,因此对结肠炎症区不具备特异性,而超小尺寸也使得其容易被胃肠道快速吸收,相关副作用增加。通过与MMT结合,显著抑制了CeO2NPs的全身吸收现象,降低了其潜在的纳米毒性,同时也赋予了MMTROS消除能力。因此,CeO2@MMT实现了“1+12”的效果,其在葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的小鼠炎症性肠病模型中起到了良好的改善效果(图1a1c)。


图1 治疗炎症性肠病(IBD)的口服CeO2@MMT纳米酶的设计和合成。(a)口服CeO2@MMT治疗患有IBD的小鼠;(b)通过将氧化铈纳米颗粒(CeO2 NPs)原位生长到MMT片层上来合成CeO2@MMT;(c)CeO2@MMT对IBD的治疗作用。左:溃疡性结肠炎的症状包括粘液耗竭,带正电荷的蛋白质积累,上皮细胞层通透性增加,ROS、促炎性巨噬细胞(M1型)以及细胞炎症因子(IL-1β, IL-6,iNOS等)的含量上升。中:带负电荷的CeO2@MMT(1:9)对带正电荷的发炎结肠具有靶向作用。通过静电结合作用,CeO2@MMT利用CeO2 NPs的类多酶活性清除升高的ROS。右:在CeO2@MMT干预后,受损的结肠上皮组织得以部分修复,而促炎性巨噬细胞(M1型)和细胞炎症因子(IL-1β,IL-6,iNOS等)减少,抗炎性巨噬细胞(M2型)和细胞抗炎因子(例如:IL-10)增加。

通过对CeO2@MMT纳米酶的结构表征发现,CeO2NPs可以在不破坏完整性的基础上在MMT表面良好生长(图2c),且MMT片上的CeO2NPs与游离CeO2纳米粒子相比分散性更好,粒径更小(图2a)。此外,CeO2@MMTCe3+含量比例较游离CeO2有一定上升,这表明其具有更加良好的类酶活性(图2b)。进一步测试CeO2@MMT纳米酶的类SOD、类CAT活性可以发现,其对参与IBD的代表性ROSO2-H2O2以及OH均表现出较强的清除能力(图2e2f2g)。


图2 CeO2和CeO2@MMT的结构表征及ROS清除活性情况。(a)TEM图像;(b)Ce3+的比例和粒径;(c)XRD测试;(d)Zeta电位;(e)类SOD活性;(f)类CAT活性;(g)OH清除活性测试。

在胃肠的强酸环境下能否保持结构稳定,决定了纳米药物是否能通过口服治疗IBD。通过在模拟胃液(SGFpH = 1.2-1.5HCl溶液)环境下测试CeO2@MMT纳米酶经胃液处理后的结构和性能的变化(图3)可以发现,随着溶液pH的上升,CeO2@MMT出现了从凝胶状向液相的转变,这种独特的相变行为使其能够保持结构的完整性,在不同的pH值下均能保持负电性。此外,处理后的CeO2@MMT仍保持ROS清除活性,保留了75.91%的类SOD活性、79.31的类CAT活性和30.34%OH清除活性。


3 CeO2CeO2@MMT在消化道模拟液中的稳定性。(a)口服CeO2@MMT通过消化道的过程。插图:模拟胃液(即pH = 1.2-1.5溶液)和模拟结肠液(即pH = 7.8-8.2溶液)中CeO2@MMT的状态照片;(b)在37 ℃下用盐酸溶液(pH ≈ 1.2)处理4小时的CeO2@MMTTEM图像;(cCeO2@MMT在不同模拟液中的Zeta电位(胃:pH ≈ 1.2;结肠:pH ≈ 8.2);(d)用模拟胃液(即pH = 1.2-1.5溶液)处理后,CeO2@MMTROS清除活性。保留活性 = SGF处理后的活性/SGF处理前的活性。

与健康的结肠上皮组织相比,带负电荷的CeO2@MMT更优先粘附于带正电荷的炎症组织,这一点在体外模拟和DSS诱导的小鼠炎症结肠上皮组织离体检测中得到了证实。CeO2@MMT可以在小鼠体内靶向定位于带正电荷的炎性粘膜表面(图4),这归因于其和炎症组织之间的静电相互作用。


图4 CeO2@MMT纳米酶对炎性粘膜的优先黏附作用。(a)小鼠治疗实验方案。用DSS(2%, wt /v)作为饮用水,持续6天,诱发IBD。在第6天,给小鼠口服CeO2@MMT;(b-c)健康和发炎的粘膜示意图;(d-f)将CeO2@MMT在37°C下孵育到未包被,羧基修饰(带负电荷,模拟健康的上皮)和氨基修饰(带正电荷,模仿发炎的上皮)聚合物3小时后的EDS图像;(g)健康小鼠肠道粘膜的Bio-TEM图像;(h-i)口服CeO2@MMT治疗后36小时,健康和炎症小鼠粘膜的Bio-TEM图像。

最后,研究了CeO2@MMT对小鼠炎症性肠炎的体内治疗效果(图5)。与MMTCeO2相比,CeO2@MMT显示出了最明显的改善效果,抑制了小鼠的腹泻和便血情况,其作用机制是通过消除ROS以实现促炎性细胞因子的降低和抗炎性细胞因子的增加以缓解炎症情况。与游离的CeO2NPs相比,CeO2@MMT的体内生物相容性也更为优良,全身吸收显著减小,再次证明了实验设计的优势。


图5口服CeO2@MMT对IBD小鼠的治疗。(a)DSS诱导的IBD小鼠模型。在第5、7和9天,给小鼠口服H2O或指定的纳米酶(以黄线表示);(b)每日体重变化监测,共11天。红色矩形表示在第10天和第11天的小鼠死亡;(c)小鼠结肠长度变化(第11天);(d)在第11天用苏木精和伊红染色处理小鼠结肠病理切片;(e)分别用H2O、MMT、CeO2和CeO2@MMT处理后(第11天)的健康小鼠和IBD小鼠的直肠区域的代表性照片;(f-g)结肠匀浆中促炎性细胞因子(IL-1β)和抗炎性细胞因子(IL-10)的浓度;(h)治疗11天后,来自健康和IBD小鼠血清的Ce/Fe之比。

本研究制备了一种具备ROS有效清除活性、消化道高稳定性和结肠炎症部位靶向能力的口服CeO2@MMT纳米酶药物。这种新型的纳米酶药物设计方法弥补了CeO2MMT各自的缺陷,将两者的性能优势最大化结合,产物呈现出了显著的小鼠结肠炎模型改善能力。未来,可以将具有ROS清除能力的其他纳米酶用于IBD的研究治疗,以MMT及类似粘土矿物作为潜在的载体材料进行材料设计。探索将ROS清除纳米酶与其他靶向部分结合用于抗炎治疗,以提高纳米酶用于疾病治疗的高效性和安全性,成为未来纳米医学研究领域的一种新的治疗策略。

研究工作近日发表在Advanced Functional Materials上,受到了领域内的广泛关注。南京大学现代工程与应用科学学院的魏辉教授为文章的通讯作者。南京大学医学院附属鼓楼医院的蒋青团队为本研究工作提供了重要的帮助和支持。魏辉教授课题组的博士研究生赵升为本论文的第一作者。蒋青教授课题组的李逸轩博士、长春应用化学研究所的杜衍研究员课题组的博士研究生刘全艺和魏辉教授课题组博士研究生李思蓉等为本工作提供了重要的帮助与支持。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目、生命分析化学国家重点实验室开放基金项目、国家重点研发计划基金项目、江苏高校优势学科建设工程基金项目、配位化学国家重点实验室开放基金项目、中央高校基本科研业务费专项资金项目。 

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