《International Journal of Biological Macromolecules》：Engineering carboxymethyl chitosan/dialdehyde starch hydrogel as a therapeutic platform for immuno-microbial modulation in ulcerative colitis
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本研究开发了一种基于羧甲基壳聚糖（CMCS）和二醛淀粉（DAS）的动态席夫碱交联自愈水凝胶，负载地塞米松（DEX）用于溃疡性结肠炎（UC）的局部治疗。该水凝胶具有优异的生物相容性、机械韧性和自愈能力，可在肠道动态环境中长期滞留并持续释放药物，同时通过微生物降解释放短链脂肪酸等有益代谢物，协同修复肠道屏障和调节菌群失调。体内实验证实其可有效缓解UC炎症和黏膜损伤。
朱丽梅|潘荣荣|孙荣娇|金月琦|杨凯敏|尤贤珠|李建铁|孔江倩|谭颖|董佳佳|胡万里
浙江温州医科大学第二附属医院结直肠科，325027，中国
摘要
溃疡性结肠炎（UC）是一种慢性炎症性肠病，其特征是黏膜屏障破坏、免疫激活失调和微生物群失衡。然而，现有疗法受到全身毒性的限制，在炎症部位的滞留效果不佳，且促进黏膜愈合的能力不足。在这里，我们通过羧甲基壳聚糖（CMCS）和醛基淀粉（DAS）之间的动态Schiff碱交联作用，制备了一种可注射且具有自愈能力的水凝胶，并加载了地塞米松（DEX）以实现局部抗炎作用。这种CMCS/DAS水凝胶表现出优异的生物相容性、良好的组织粘附性和机械韧性，这些特性对于确保DEX在动态结肠环境中的持续释放和可靠滞留至关重要。体外实验表明，该水凝胶通过促进巨噬细胞极化显示出显著的免疫调节作用。在TNBS诱导的溃疡性结肠炎大鼠模型中，水凝胶治疗显著减轻了炎症，促进了上皮完整性和屏障修复，并通过丰富有益菌群有效重新平衡了肠道微生物组成。这一多功能平台同时解决了UC的核心病理过程，为实现持久的治疗缓解提供了有希望的策略。
引言
溃疡性结肠炎（UC）是一种慢性、特发性的结肠黏膜炎症性疾病，给全球医疗系统带来了巨大的负担[1]，[2]。UC的发病机制由三个相互依赖的因素维持：上皮屏障破坏、免疫激活失调和肠道微生物群失衡[3]，[4]，[5]。这种病理三联症加剧了组织损伤，限制了黏膜修复，使得有效的治疗干预变得尤为困难。由于其复发性和对患者生活质量的严重影响，迫切需要开发能够同时打破这一多因素病理循环的有效且持久的治疗策略[6]。
传统的治疗方法，包括氨基水杨酸盐、皮质类固醇和免疫抑制剂，主要只能缓解症状，但往往无法实现持久缓解。这种局限性源于它们对个别病理机制的关注过于狭隘，以及存在严重的全身毒性风险[7]。为了在减少全身副作用的同时改善治疗效果，局部直肠给药（例如灌肠和栓剂）已成为治疗远端和左侧UC的首选策略，因为它可以直接在炎症部位实现高浓度的药物[8]。然而，传统的灌肠制剂和非粘附性的局部给药系统通常滞留效果不佳，且对UC相关的肠道高蠕动（周期性收缩和拉伸）的机械抵抗力有限，导致药物过早从炎症黏膜表面脱落，生物利用度不足。这些局限性凸显了开发能够在肠道内长时间停留、具有强组织粘附性和持续、定位释放药物的高级治疗平台的迫切需求。
水凝胶由具有仿生特性的亲水性聚合物网络组成，能够实现定位药物释放，同时减少全身暴露，这在局部UC治疗中受到了越来越多的关注。尽管已经对水凝胶平台进行了广泛研究，但其实际应用限制尚未得到完全解决。例如，吴等人报道的基于透明质酸的水凝胶系统虽然提高了药物沉积的空间控制能力，但需要外部光激活和内镜辅助给药，这可能限制了其临床应用的普及[9]。Pandey等人描述的基于丙烯酰胺的合成化学交联水凝胶虽然具有较高的机械强度和良好的组织粘附性，但其制备过程通常依赖于化学引发剂和交联剂（例如过硫酸钾），可能会留下残留的反应性物质，并引发潜在的安全问题[10]。综上所述，开发能够在生理条件下原位形成、在机械活跃的肠道中保持结构稳定性并具有优异生物相容性的水凝胶平台显得尤为重要。
基于这些设计考虑，自愈水凝胶成为特别有前景的候选材料。它们的动态网络结构使其能够在炎症肠道这种恶劣且运动的环境中恢复，从而增强滞留能力[11]，[12]，[13]。这种自愈行为可以通过动态共价反应（包括Schiff碱缩合）轻松实现。重要的是，含有天然醛基和氨基的多糖为构建这些动态网络提供了生物相容性和多功能性的平台[14]，[15]，[16]。除了结构优势外，基于多糖的水凝胶预计会被肠道微生物群代谢为生物活性代谢物（如短链脂肪酸SCFAs），这些代谢物可能有助于调节微生物组成并支持上皮屏障功能，从而有助于调控微生物群失衡和炎症[17]，[18]，[19]。
基于这些考虑，我们通过羧甲基壳聚糖（CMCS）和醛基淀粉（DAS）之间的动态Schiff碱交联作用，制备了一种多功能自愈水凝胶，并加载了地塞米松钠磷酸盐（DEX），用于协同抗炎治疗（方案1a）。在该系统中，CMCS这种水溶性壳聚糖衍生物具有优异的生物相容性、生物降解性和内在的黏膜修复潜力，而DAS作为动态交联剂，能够在生理条件下实现原位凝胶化和自愈行为[20]，[21]，[22]。这种坚固的聚合物水凝胶具有增强的机械韧性和良好的黏膜粘附性，能够承受肠道高蠕动并保持长期的结肠滞留。这些特性支持强效抗炎剂DEX的持续、局部释放，最大化病变部位的浓度，同时减少全身暴露。除了药物释放外，该水凝胶还充当生物活性支架：在直肠给药后，它物理保护溃疡黏膜，并通过微生物介导的酶促降解释放有益代谢物。这些降解产生的代谢物可能有助于恢复微生物平衡和促进上皮屏障修复，从而提供超出单纯药物作用的治疗效益。在UC大鼠模型中，CMCS/DAS/DEX平台显著缓解了临床症状、组织损伤和炎症。总体而言，这项工作提出了一种基于生物材料的、有前景且可能持久的局部UC管理方法（方案1b）。
材料
羧甲基壳聚糖（CMCS）和地塞米松钠磷酸盐（DEX）购自Aladdin（中国）。醛基淀粉（DAS）由元丰（中国）提供。模拟肠液（SIF，pH 7.4，无氨）购自上海源业生物科技有限公司（中国），用于膨胀、降解和药物释放研究。LPS、phalloidin和DAPI购自Sigma-Aldrich（美国）。CD86、CD206和CD16/32抗体购自Biolegend（美国）。
CMCS/DAS水凝胶的合成与表征
通过FTIR光谱（图1a）对CMCS、DAS及所得水凝胶的化学结构进行了表征。在CMCS光谱中，约3400 cm?1处的宽吸收峰归因于O-H和N-H伸缩振动的重叠。1600 cm?1和1420 cm?1处观察到的特征带分别对应于羧酸基（–COO?）的不对称和对称伸缩振动[25]。DAS的FTIR光谱在3300 cm?1处显示出一个宽峰。
结论
总之，我们开发了一种可注射的自愈CMCS/DAS水凝胶，作为UC的综合性治疗平台。该水凝胶具有出色的物理化学性质，包括快速自我恢复、良好的黏膜粘附性和可调的机械强度，能够在动态结肠环境中实现DEX的可靠滞留和持续释放。体外实验表明，该水凝胶具有优异的生物相容性，并通过促进巨噬细胞极化表现出强大的免疫调节活性。
作者贡献声明
朱丽梅：撰写 – 原稿撰写、可视化、项目管理、方法学设计、实验研究。潘荣荣：可视化、项目管理、方法学设计、实验研究。孙荣娇：验证、实验研究。金月琦：验证、实验研究。杨凯敏：验证、实验研究。尤贤珠：验证、实验研究。李建铁：验证、实验研究。孔江倩：验证、实验研究。谭颖：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调。董佳佳：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了温州重大科技创新项目 [资助编号：ZY2024029]的支持。
