《Tissue and Cell》：Astaxanthin-Loaded Chitosan Nanoparticles Attenuate Chlorpyrifos-Induced Nephrotoxicity via Activation of the Nrf2/HO-1 Axis and Suppression of Oxidative, Inflammatory, and Apoptotic Pathways
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氯吡虫啉诱导肾损伤中，虾青素负载壳聚糖纳米颗粒（ASX-CNPs）通过抑制氧化应激、炎症及凋亡失衡显著改善肾功能，病理学分析显示其保护效果优于游离虾青素。
艾哈迈德·A·奥拜德（Ahmad A. Obaid）| 马赞·M·盖斯（Mazen M. Ghaith）| 艾哈迈德·纳吉姆·阿尔沙马里（Ahmad Najem Alshammari）| 埃克拉米·M·埃尔莫尔西（Ekramy M. Elmorsy）| 马纳尔·S·法兹（Manal S. Fawzy）| 内文·A·易卜拉欣（Neven A. Ebrahim）| 哈玛达·S·萨利姆（Hamada S. Salem）| 纳什瓦·穆斯塔法·侯赛因（Nashwa Mostafa Hussein）
沙特阿拉伯麦加乌姆阿尔库拉大学医学院生理学系
摘要
背景
研究表明，氯吡硫磷（Chlorpyrifos）会导致肾脏的氧化损伤、炎症反应和细胞凋亡。天然虾青素（Astaxanthin，ASX）具有肾脏保护作用，但其有限的生物利用度限制了其治疗潜力。壳聚糖纳米颗粒（Chitosan nanoparticles，CNPs）能够提高这些天然化合物的生物利用度和治疗效果。
目的
本研究探讨了载有虾青素的壳聚糖纳米颗粒（ASX-CNPs）与纯虾青素（ASX）在对抗氯吡硫磷（CPF）诱导的肾毒性方面的保护效果。
方法
90只大鼠（体重约235克）被随机分为6组（每组15只），分别接受60天的口服治疗：生理盐水、ASX（40毫克/千克）、ASX-CNPs（40毫克/千克）、CPF（10毫克/千克），或CPF与ASX或ASX-CNPs的组合。通过透射电子显微镜和动态光散射技术对ASX-CNPs进行了表征，结果显示其为均匀的球形纳米颗粒，稳定性高，包封效率为84.72%。通过多种检测方法评估了氧化应激、炎症反应和细胞凋亡途径。
结果
CPF暴露显著损害了肾脏功能，导致血液中的尿素、肌酐、尿酸和胱氨酸C水平升高，并引发了氧化应激、脂质过氧化和DNA损伤。CPF还抑制了Nrf2/HO-1抗氧化途径，引发了炎症和硝基化应激，通过增加Bax和Caspase-3蛋白的表达破坏了细胞凋亡平衡。组织病理学和超微结构分析显示肾脏出现严重病变，包括肾小球收缩、线粒体结构紊乱、血管充血和肾小管变性。ASX-CNPs联合治疗显著改善了生化指标、氧化应激、炎症反应和细胞凋亡现象，使肾脏形态接近正常。相比之下，纯ASX仅提供了部分保护作用，对抗氧化酶活性、细胞因子水平和组织结构的影响较弱。ASX-CNPs的优越效果凸显了纳米颗粒给药方式在提高生物利用度、稳定性和细胞摄取方面的优势。
结论
这些结果表明，ASX-CNPs是一种有前景的纳米治疗策略，可用于预防CPF引起的肾脏损伤，体现了纳米制剂相较于传统形式的优越保护效果。
引言
肾脏对于维持电解质和酸碱平衡、控制体液组成以及保持细胞内的氧化还原状态至关重要。然而，肾脏容易受到氧化应激和炎症的影响，这导致了全球慢性肾脏疾病发病率的上升。肾脏损伤主要源于谷胱甘肽的耗竭和蛋白质合成受到抑制（Matsubara等人，2019年），这些过程会导致自由基的过度产生，进而损害抗氧化防御系统并破坏结构和转运蛋白（Baba等人，2016年）。
农药，尤其是有机磷化合物，被认为是导致氧化应激和炎症的主要环境毒素，从而促进肾脏损伤（Ahmad等人，2024年）。氯吡硫磷（CPF）在全球范围内被广泛用于农业和畜牧业害虫控制（Alruhaimi等人，2024年；Wo?ejko等人，2022年）。其广泛应用导致了严重的环境污染，并增加了人类接触的风险。CPF可通过肠道和肺部被吸收，并在肝脏中通过细胞色素P450酶代谢生成有毒代谢物氯吡硫磷-氧酮（Chlorpyrifos-oxon），该物质会不可逆地抑制乙酰胆碱酯酶，导致乙酰胆碱积累并过度刺激烟碱型和毒蕈碱型受体（Camacho-Pérez等人，2022年；Sakinah等人，2024年）。在临床和实验研究中，CPF会在肝脏和肾脏组织中引发严重的氧化应激，表现为活性氧（ROS）的过量产生、脂质过氧化（如过氧化氢H?O?和丙二醛MDA）、活性氮（RNS）的增加，以及谷胱甘肽等关键抗氧化酶的减少（Abd El-Moneim Ibrahim等人，2020年；Taychaworaditsakul等人，2024年）。
肾脏组织对CPF引起的毒性尤为敏感，表现为血清尿素、肌酐、尿酸和胱氨酸C水平升高，以及肾小管坏死、上皮细胞退化、肾小球异常等组织病理学变化（Binmahfouz等人，2024年；Kü?ükler等人，2021年）。CPF通过抑制抗凋亡蛋白Bcl-2并激活促凋亡蛋白Bax和Caspase-3来触发肾细胞凋亡（Chiang等人，2025年）。越来越多的证据表明，氧化应激、炎症和凋亡之间的相互作用是CPF引起肾脏损伤的核心机制（Mohammed等人，2025年）。近年来，草药和植物提取物因安全性高、成本低和广泛的治疗潜力而受到关注（Abou-Zeid等人，2021年；Binmahfouz等人，2024年；Mohammed等人，2025年）。
在天然生物活性分子中，虾青素（ASX）是一种从浮游植物、微藻和海洋生物中提取的红橙色类胡萝卜素，具有强大的抗癌、抗氧化、抗炎和抗凋亡作用（Abou-Zeid等人，2021年；Youssef等人，2025年）。实验研究表明，ASX在肾脏损伤模型中具有保护作用（Guo等人，2021年）。然而，由于其水溶性差、亲脂性强以及口服生物利用度低（在胃肠道中仅为10–50%），其临床应用受到限制（Choi等人，2011年；Wang等人，2017年）。纳米技术驱动的药物递送平台，尤其是壳聚糖纳米颗粒（CNPs），通过提高生物利用度、实现靶向递送和控制脂溶性药物的释放，为克服ASX的局限性提供了有效途径（El-Raghi等人，2025年；Garg等人，2019年）。壳聚糖具有生物降解性、生物相容性和无毒性，同时具有显著的黏附性和渗透增强特性，使其成为携带疏水性物质（如ASX）的理想载体（Elmorsy等人，2025年；Karthika等人，2020年）。将ASX掺入CNPs中可以提高其溶解度、稳定性和肠道吸收率，从而在较低浓度下实现更有效的治疗效果（El-Raghi等人，2025年）。
尽管有证据表明ASX可以在不同实验模型中对抗氧化应激和炎症损伤，但其对CPF引起的肾脏毒性的有效性，尤其是载有ASX的壳聚糖纳米颗粒（ASX-CNPs），尚未得到充分研究。此外，CPF引起的肾脏损伤过程中氧化应激、炎症反应和细胞凋亡之间的相互作用表明，需要进一步探索NF-κB、Nrf2/HO-1、CASPASE/BAX/BCL2等分子通路在维持肾脏完整性中的作用（Abou-Zeid等人，2021年；Binmahfouz等人，2024年）。因此，本研究的目的是评估ASX-CNPs在CPF诱导的肾毒性中的保护作用，与其纯形式进行比较，并阐明与氧化应激、炎症和细胞凋亡相关的分子机制。
虾青素负载壳聚糖纳米颗粒（ASX-CNPs）的制备
高纯度虾青素（≥98%）购自Sigma-Aldrich公司。纳米颗粒的制备采用了离子凝胶化结合均质化和超声处理的方法。首先将壳聚糖（CH）溶解在1%（体积比）的醋酸溶液中，然后加入适量的ASX。将所得溶液在12,000转/分钟的转速下均质化10分钟，期间逐滴加入三聚磷酸盐（TPP）溶液，保持壳聚糖与TPP的比例为4:1。
虾青素负载壳聚糖纳米颗粒（ASX-CNPs）的特性分析
透射电子显微镜（TEM）分析显示，ASX-CNPs具有均匀的球形形态，分布均匀，无明显的聚集现象（图1A）。纳米颗粒的直径介于11至20纳米之间（图1B），这种纳米级尺寸有利于高效进入细胞。动态光散射（DLS）测量结果显示平均水动力直径为82纳米，粒径分布指数（PDI）为0.455，表明颗粒分布相对均匀。
讨论
像CPF这样的有机磷化合物造成的环境污染通常源于直接施用和叶片表面冲洗（Wo?ejko等人，2022年）。这种农药已被证实会导致多种毒性效应，尤其是肾脏损伤（Alruhaimi等人，2024年）。本研究中，使用10毫克/千克的CPF剂量诱导肾脏毒性，该剂量基于先前的研究结果（Binmahfouz等人，2024年）。CPF处理显著降低了所有评估的肾脏功能指标。
结论
载有虾青素的壳聚糖纳米颗粒（ASX-CNPs）通过恢复肾脏功能、增强抗氧化防御、抑制炎症和硝基化应激以及调节细胞凋亡信号通路，有效保护大鼠免受氯吡硫磷引起的肾毒性。组织病理学分析证实，ASX-CNPs处理后肾脏结构几乎完全得以保留。与纯虾青素相比，纳米制剂表现出更高的生物利用度、稳定性和治疗效果。
作者贡献
艾哈迈德·A·奥拜德（Ahmad A. Obaid）进行了体内实验、样本收集和数据分析。马赞·M·盖斯（Mazen M. Ghaith）设计了研究方案并协调了实验工作。艾哈迈德·纳吉姆·阿尔沙马里（Ahmad Najem Alshammari）协助研究设计并解释数据。埃克拉米·M·埃尔莫尔西（Ekramy M. Elmorsy）监督了实验过程并负责手稿撰写。马纳尔·S·法兹（Manal S. Fawzy）进行了生化和分子分析。内文·A·易卜拉欣（Neven A. Ebrahim）负责组织病理学和组织评估。哈玛达·S·萨利姆（Hamada S. Salem）负责纳米颗粒的制备。
伦理批准
所有实验均获得了曼苏拉大学动物护理和使用委员会（MU-ACUC，VM.R.25.12.240）的伦理批准。本研究遵循2010/63/EU指令，并按照ARRIVE 2.0指南进行，确保了用于科学研究的动物的保护。
资助
作者感谢沙特阿拉伯北部边境大学（Northern Border University）通过项目编号（NBU-CRP-2026-2510）对本研究的支持。
作者声明
作者声明本手稿为原创作品，未在其他期刊上发表。所有作者均已审阅并批准了最终版本，未遗漏任何符合条件的贡献者。关于作者名单的排序已达成一致。通讯作者将在整个编辑和出版过程中作为主要联系人。
CRediT作者贡献声明
马赞·M·盖斯（Mazen M. Ghaith）：数据可视化、方法设计、实验设计、数据分析。艾哈迈德·A·奥拜德（Ahmad A. Obaid）：数据可视化、实验设计、数据分析。艾哈迈德·纳吉姆·阿尔沙马里（Ahmad Najem Alshammari）：结果验证、方法设计、数据分析。纳什瓦·穆斯塔法·侯赛因（Nashwa Mostafa Hussein）：初稿撰写、数据分析。马纳尔·S·法兹（Manal S. Fawzy）：结果验证、方法设计。埃尔莫尔西·埃克拉米（Ekramy Elmorsy）：撰写、编辑、监督、资源协调、项目管理。
