《Materials Today Bio》：Bioresponsive PDA–GelMA Hydrogel Microspheres Coordinate Redox–Immune Homeostasis via Controlled rhMUC13 Delivery for Radiation-Induced Intestinal Repair
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辐射性肠损伤（RIII）是肿瘤放疗后常见的严重并发症，其治疗因缺乏能同时调控病灶处氧化应激与免疫应答的局部递送系统而面临挑战。本研究揭示跨膜黏蛋白MUC13是维持肠道上皮稳态的关键因子，并创新性地开发了一种炎症响应的PDA-GelMA水凝胶微球系统（PDA-GelMA@rhMUC13），用于靶向递送重组人MUC13蛋白。该系统通过PDA外壳实现粘附滞留与活性氧清除，并通过GelMA核心持续释放rhMUC13，协同抑制NF-κB介导的细胞凋亡、修复紧密连接、促进巨噬细胞向修复性M2表型极化，并部分改善肠道菌群失调，为RIII及其他炎症性肠病提供了集靶向递送、免疫调节与菌群重塑于一体的多机制治疗新策略。
盆腔、腹部或腹膜后恶性肿瘤患者在接受放射治疗后，常常面临一个棘手的并发症——辐射性肠损伤（Radiation-induced intestinal injury, RIII）。临床上，约90%接受盆腔放疗的患者会出现腹泻、腹痛、粘液或血便等急性胃肠道毒性，其中约20%会发展为急性RIII。更有超过50%的患者可能在放疗后数月甚至数年出现慢性肠道损伤，表现为纤维化、血管炎和粘膜萎缩，严重影响生活质量。究其根源，辐射会诱导爆发性活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）产生，破坏氧化还原平衡，触发肠道上皮细胞（Intestinal Epithelial Cells, IECs）凋亡、损伤粘膜屏障并激活持续的炎症反应，同时伴随菌群失调、内皮功能障碍和免疫失调，形成复杂的恶性循环。然而，目前临床使用的抗氧化剂和自由基清除剂疗效有限，且无法有效应对粘膜溃疡、出血或纤维化进展，凸显了对能够整合抗炎、抗氧化和粘膜修复功能的新型靶向治疗策略的迫切需求。
近期，一项发表于《Materials Today Bio》的研究带来了新的希望。该研究首次发现跨膜黏蛋白MUC13在辐射性肠损伤中扮演着关键的稳态调节角色，并在此基础上，巧妙地设计了一种集靶向递送、局部控释与免疫微环境调控于一体的多功能水凝胶微球系统，为RIII的治疗提供了创新性的解决方案。
为了开展这项研究，研究人员运用了多项关键技术。他们首先通过生物信息学分析（整合自身RNA测序数据和公共GEO数据库）和单细胞RNA测序（scRNA-seq）数据挖掘，确定了MUC13在辐射后肠道中的表达变化及其与肠道稳态通路的关键关联。在机制探索层面，研究团队在体外利用siRNA敲低技术和重组蛋白补充实验，结合蛋白质印迹（Western blot）、流式细胞术和酶联免疫吸附测定（ELISA）等手段，深入阐明了MUC13通过调控NF-κB信号通路影响氧化应激、细胞凋亡和炎症反应的具体机制。在治疗载体构建与评价方面，研究采用微流控技术制备了负载PEG化重组人MUC13蛋白的明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶微球，并通过多巴胺自聚合在其表面形成聚多巴胺涂层，构建了PDA-GelMA@rhMUC13复合微球。随后，通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、Zeta电位分析和体外抗氧化实验等对其理化性质进行了全面表征。在动物模型验证中，研究建立了C57BL/6小鼠的辐射性肠损伤模型，通过直肠灌肠给予不同微球进行治疗，并综合运用了体内成像系统评估微球滞留、肠道通透性检测、组织病理学分析、免疫荧光染色、流式细胞术分析巨噬细胞极化以及16S rDNA测序分析肠道菌群等多种技术，系统评价了该治疗体系的疗效与作用机制。
3.1. MUC13敲低通过NF-κB介导的氧化应激和炎症加剧上皮稳态破坏
研究人员首先建立了小鼠RIII模型，并通过转录组测序结合公共数据集交叉分析，发现MUC13在辐射后肠道组织中表达显著上调，且与肠道稳态通路紧密相关。单细胞测序分析进一步将MUC13的高表达定位在肠道上皮细胞。临床样本的免疫组化也证实了辐射性肠炎患者结肠组织中MUC13表达升高。体外功能实验表明，敲低MUC13会显著降低NCM460细胞的活力，增加细胞内活性氧积累和细胞凋亡，并促进促炎细胞因子的释放。机制上，MUC13敲低激活了NF-κB通路，促进了促凋亡蛋白Bax表达并抑制了抗凋亡蛋白Bcl-2，从而破坏了上皮稳态。
3.2. 外源性MUC13蛋白通过减轻氧化应激和炎症保护肠道上皮细胞免受辐射损伤
研究证实，补充重组人MUC13能有效改善辐射下肠上皮细胞的活力，减少活性氧积累和细胞凋亡。在小鼠模型中，静脉注射rhMUC13能显著减轻辐射引起的体重下降、结肠缩短、肠道通透性增加和组织病理损伤，并降低血清促炎细胞因子水平。Western blot分析显示，rhMUC13能抑制辐射诱导的NF-κB通路关键蛋白p65和IKKα/β的磷酸化，并恢复IκBα表达，从而降低Bax/Bcl-2比率，发挥保护作用。
3.3. PDA-GelMA@rhMUC13微球的制备与表征
为解决rhMUC13蛋白不稳定、生物利用度低的问题，研究团队构建了PDA-GelMA@rhMUC13复合微球。该微球具有均匀的球形和多孔结构，PDA涂层增强了其表面负电性和对炎症黏膜的粘附滞留能力。体外降解和蛋白释放实验表明，PDA涂层延缓了微球降解，并实现了rhMUC13的持续释放。抗氧化性能测试显示，PDA修饰显著提升了微球的总抗氧化能力和清除DPPH自由基、羟基自由基的能力。体内成像证实，PDA涂层使微球在辐射诱导的炎症结肠中的滞留时间显著延长。
3.4. PDA-GelMA@rhMUC13水凝胶微球的体外生物相容性和生物活性
细胞实验表明，PDA-GelMA@rhMUC13微球具有良好的生物相容性，不影响肠道上皮细胞和巨噬细胞的增殖与活力。功能实验显示，该复合微球能显著促进辐射损伤的肠上皮细胞的迁移和增殖能力。
3.5. PDA-GelMA@rhMUC13水凝胶通过抗氧化和抗凋亡作用保护肠道上皮细胞
与空白GelMA微球相比，负载了rhMUC13或带有PDA涂层的微球均能显著降低辐射后肠上皮细胞内的活性氧水平和细胞凋亡率，提高细胞存活率。生化指标检测证实，PDA-GelMA@rhMUC13能提升细胞内的超氧化物歧化酶活性和谷胱甘肽水平，并降低脂质过氧化产物丙二醛含量，表明其能增强细胞的内源性抗氧化防御能力。
3.6. PDA-GelMA@rhMUC13水凝胶通过诱导M2巨噬细胞极化营造促再生免疫微环境
在巨噬细胞中，PDA-GelMA@rhMUC13同样表现出优异的清除细胞内活性氧和减轻氧化损伤的能力。更重要的是，它能显著调节巨噬细胞极化：降低促炎M1型巨噬细胞的比例，同时增加抗炎、促修复的M2型巨噬细胞的比例。基因表达分析进一步证实，该处理下调了M1相关标志物基因的表达，而上调了M2相关标志物基因的表达。
3.7. PDA-GelMA@rhMUC13微球在小鼠RIII模型中的治疗潜力
体内安全性评估显示，该微球系统具有良好的生物安全性。在辐射性肠损伤小鼠模型中，直肠给予PDA-GelMA@rhMUC13微球能有效缓解体重下降和结肠缩短，改善肠道通透性，减轻组织病理损伤，减少上皮细胞凋亡，并降低肠道髓过氧化物酶活性和血清促炎细胞因子水平，疗效优于单独的GelMA@rhMUC13或PDA-GelMA微球。
3.8. PDA-GelMA@rhMUC13通过屏障重建和免疫微环境调节促进肠道上皮稳态
机制深入研究表明，PDA-GelMA@rhMUC13治疗能显著恢复辐射损伤结肠组织中紧密连接蛋白的表达和连续性。同时，它能重塑肠道局部免疫微环境，减少促炎M1巨噬细胞浸润，增加修复性M2巨噬细胞。Western blot分析证实，该治疗能抑制辐射激活的NF-κB信号通路。这体现了其设计的协同作用：PDA外壳通过清除活性氧和调节巨噬细胞极化，改善局部氧化还原和免疫微环境；在此有利环境下，从GelMA核心持续释放的rhMUC13则主要发挥其抑制NF-κB介导的凋亡信号和修复紧密连接的上皮保护功能。
3.9. PDA-GelMA@rhMUC13缓解辐射诱导的肠道菌群失调及其潜在功能改变
16S rDNA测序分析发现，辐射导致了肠道菌群多样性下降和群落结构紊乱，表现为炎症相关的机会性菌群增加，而与短链脂肪酸产生相关的有益共生菌减少。PDA-GelMA@rhMUC13干预部分改善了这种菌群失调，总体上呈现出“减少炎症相关菌群，增加有益/代谢相关菌群”的重塑趋势。
综上所述，本研究首次揭示了跨膜黏蛋白MUC13在辐射性肠损伤中作为关键上皮稳态调节器的作用，并证实其缺失会通过激活NF-κB通路加剧氧化应激、炎症和细胞凋亡。针对直接应用rhMUC13蛋白面临的挑战，研究团队成功开发了一种生物响应性的PDA-GelMA@rhMUC13水凝胶微球递送平台。该平台通过PDA外壳实现炎症靶向粘附、延长滞留、快速清除活性氧并促进巨噬细胞向M2表型极化；在此优化后的微环境中，GelMA核心实现rhMUC13的持续释放，协同抑制NF-κB相关的促凋亡信号并恢复紧密连接蛋白，从而促进上皮存活和屏障重建。体内外实验证实，该复合微球系统具有良好的生物相容性，能显著减轻辐射性肠损伤的病理表现，其疗效源于各组分在氧化还原调控、免疫微环境调节和上皮修复等不同生物学层面的互补作用。此外，该治疗还能部分改善辐射引起的肠道菌群失调。这项研究不仅为MUC13在RIII中的保护作用提供了新的机制见解，更重要的是，提出了一种集靶向滞留、氧化还原-免疫调节和持续蛋白递送于一体的“免疫重编程-屏障修复-稳态维持”综合治疗新范式，为RIII及其他炎症驱动的肠道疾病提供了具有转化潜力的精准治疗策略。
