《Bioorganic Chemistry》：In vivo performance of 5-fluorouracil encapsulated on bacterial nanocellulose in an azoxymethane-dextran sulphate sodium induced colorectal cancer: Drug release profiles, histological and biomarkers analysis
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本研究采用细菌纳米纤维素（BNC）封装5-氟尿嘧啶（5FU），在AOM/DSS诱导的小鼠结直肠癌模型中评估其疗效。结果显示，BNC载体通过pH响应机制实现延迟释药，减少系统毒性，并显著抑制JNK、STAT3和p70S6K等促癌信号通路，有效延缓肿瘤进展。该策略为结直肠癌治疗提供了更安全、靶向的纳米递送方案。
伊丽莎白·科雷亚（Elizabeth Correa）|埃斯特法尼娅·马丁内斯（Estefanía Martínez）|马龙·奥索里奥（Marlon Osorio）|瓦内萨·贝多亚-贝坦库尔（Vanesa Bedoya-Betancur）|胡安·巴勃罗·伦东（Juan Pablo Rendón）|克里斯蒂娜·卡斯特罗（Cristina Castro）|托尼·纳兰霍（Tonny Naranjo）
医学与实验真菌学小组，CIB-UPB-UdeA-UDES，生物研究公司，Carrera 72 A # 78B-141，麦德林 050034，哥伦比亚
摘要
结直肠癌（CRC）是全球癌症相关死亡的主要原因之一，这主要是由于其慢性进展以及在晚期阶段才被诊断出来。尽管手术切除仍然是CRC治疗的金标准，但通常需要使用5-氟尿嘧啶（5FU）进行辅助化疗；然而，其临床效果受到全身毒性和严重副作用的限制。在这项研究中，我们评估了一种基于细菌纳米纤维素（BNC）的5FU封装系统在由偶氮甲基烷/硫酸葡聚糖钠（AOM/DSS）诱导的小鼠CRC模型中的体内表现。在结肠条件下分析了药物释放行为，并通过肿瘤进展以及与凋亡和细胞增殖相关的生物标志物的表达来评估治疗效果，比较了游离态和封装态5FU的效果。5FU从BNC胶囊中的释放主要受扩散控制，并在结肠pH值（pH 5）下表现出延迟释放，这归因于5FU与BNC基质之间的分子相互作用，支持了BNC作为靶向结肠的药物递送平台的适用性。无论是游离态还是封装态5FU治疗都显著延缓了恶性肿瘤的进展；然而，在停止治疗后，肿瘤进展加速，证实了这两种制剂的治疗活性。生物标志物分析显示，在第8周时两组都激活了凋亡途径，而封装态5FU显著下调了参与癌细胞增殖的JNK、STAT3和p70S6K信号蛋白。总体而言，这些发现表明基于BNC的封装技术提高了5FU在AOM/DSS诱导的CRC模型中的生物利用度和治疗效果，突显了其作为生物有机且更安全的治疗结直肠癌策略的潜力。进一步优化药物制剂将有助于推进临床评估。
引言
癌症仍然是全球主要的死亡原因之一。根据世界卫生组织的全球癌症观察站的数据，2022年全球约有970万人死于癌症相关疾病。其中，结直肠癌（CRC）是第三大常见恶性肿瘤，新发病例约为193万例，同时也是癌症相关死亡的第二大原因，每年导致超过90万人死亡[1]。CRC主要影响大肠和直肠，主要发生在50岁以上的个体中。由于其慢性进展和非特异性胃肠道症状，CRC通常在晚期才被诊断出来，导致治疗选择有限且预后较差[2]。CRC的金标准治疗是受影响组织的手术切除；然而，这种方法通常与辅助或新辅助疗法结合使用以改善临床结果[2]。辅助疗法旨在消除可能从原发肿瘤部位逃逸的残留癌细胞，从而减少复发并提高长期生存率[3]。其中，化疗是CRC管理的基石。
结直肠肿瘤的发生与慢性炎症和免疫信号调节异常密切相关。在早期阶段，结肠上皮细胞的激活导致促炎细胞因子和趋化因子的产生增加，包括白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子（TNF）和白细胞介素-1β（IL-1β），同时伴有炎症巨噬细胞（M1）、树突状细胞、中性粒细胞和CD4+ T淋巴细胞的浸润。这些免疫细胞与上皮细胞相互作用，激活细胞内信号通路和转录因子（如核因子κB（NF-κB），促进参与炎症、细胞存活和不受控制的增殖的基因表达。随着肿瘤的发展，抗炎M2巨噬细胞、Th17淋巴细胞和调节性免疫细胞变得占主导地位，维持NF-κB和STAT3的激活，并促进免疫抑制、上皮细胞增殖和肿瘤侵袭[4]，[5]。
在分子水平上，CRC的进展特征是代谢重编程和多个促进细胞增殖和免疫逃逸的信号通路的异常激活。参与这些过程的关键信号分子包括Akt、p70S6K、p38 MAPK、c-Jun N末端激酶（JNK）和NF-κB[5]，[6]。这些分子是PI3K/AKT、MAPK和ERK通路的组成部分，它们的激活，特别是通过肾上腺素能受体，已被证明在结直肠癌进展中起关键作用[7]。
在CRC治疗中最广泛使用的化疗药物是5-氟尿嘧啶（5FU）[8]。5FU是一种氟嘧啶类抗代谢物，由Heidelberger等人于1957年首次合成。给药后，大部分5FU在肝脏中通过二氢嘧啶脱氢酶（DPD）代谢为无活性的代谢物并迅速清除。只有少量转化为活性代谢物，包括5-氟脱氧尿苷单磷酸（5-FdUMP）和5-氟尿苷三磷酸（5FUTP）。5-FdUMP抑制胸苷酸合成酶，从而阻断DNA合成和修复，而5FUTP则被纳入RNA，导致转录和转录后错误，最终导致细胞死亡[9]。
尽管5FU具有临床效果，但其治疗过程中伴随着显著的不良反应，如胃肠道毒性、骨髓抑制、恶心和呕吐，这些限制了其治疗窗口[8]，[10]。虽然没有一种化疗药物能够完全治愈或预防癌症，但由于其对包括结直肠癌、胰腺癌、乳腺癌、胃癌、头颈部癌和卵巢癌在内的多种实体瘤的广谱活性，5FU仍然是使用最广泛的抗癌药物之一[11]。值得注意的是，它在CRC中的临床影响最为显著，几十年来一直作为一线化疗药物[12]。
鉴于这些局限性，大量的研究工作集中在提高现有化疗药物的效果和安全性上，而不是开发全新的药物[13]。在这方面，药物封装作为一种有前景的策略，可以增强药物稳定性、提高生物利用度、减少全身毒性并实现可控和持续的释放。包括脂质体、纳米颗粒和基于聚合物的载体在内的多种封装系统在体外和体内实验中显示出改善的抗癌活性。
同时，越来越多的人关注来自天然来源的生物活性化合物和绿色纳米材料作为癌症治疗的补充策略。富含多酚、萜类化合物和多糖的植物和藻类提取物在不同癌症模型（包括结直肠癌）中显示出细胞毒性和抗增殖作用。例如，Cystoseira foeniculacea和Sargassum vulgare的甲醇提取物在体外实验中显示出抗癌活性[14]，而Allium turcicum的提取物据报道可以减少结直肠癌细胞的增殖和迁移[15]。同样，生物合成的纳米颗粒和纳米复合材料，如银纳米颗粒和基于植物活性炭的纳米载体，作为药物递送平台，与传统材料相比具有更好的生物相容性和较低的毒性[16]。然而，尽管这些方法表现出良好的效果，但大多数仍主要限于体外研究，体内验证和转化证据有限。
在新兴的生物有机材料中，细菌纳米纤维素（BNC）作为一种药物递送平台受到了越来越多的关注，因为它具有生物相容性、可生物降解性、高强度的机械性能和多孔的三维网络。BNC是由Acetobacter和Komagataeibacter属细菌合成的水凝胶。先前的体外研究表明，将5FU封装在BNC中可以实现可控的药物释放，并减少细胞毒性副作用，同时与游离药物相比，还能增强SW480和SW620等结直肠癌细胞系的细胞衰老[17]。此外，作为一种绿色纳米复合材料，BNC相比传统的化学和物理化学载体具有显著的优势，包括环境可持续性、经济可行性和较低的毒性[18]。
尽管有这些有希望的发现，但基于BNC的药物递送系统在体内的验证仍然有限。因此，需要更深入地了解5FU在BNC中封装后的生物性能、释放特征和治疗效果。在本研究中，我们在由偶氮甲基烷/硫酸葡聚糖钠（AOM/DSS）诱导的小鼠结直肠癌模型中评估了一种装载5-氟尿嘧啶的细菌纳米纤维素（5FU-BNC）系统。
AOM/DSS模型通过偶氮甲基烷（AOM）的致癌作用和硫酸葡聚糖钠（DSS）引起的慢性肠道炎症共同促进结直肠癌的发生。该模型很好地再现了人类CRC的进展过程，包括异常隐窝的形成、异常隐窝灶、微腺瘤、腺瘤，最终形成癌
材料
以下试剂用于模拟胃液：牛磺酸钠（Sigma–Aldrich，S0900000）、卵磷脂（Sigma–Aldrich，429415）、胃蛋白酶（Merck，107192）和氯化钠（Merck，106406）。用于模拟结肠的还有氯化钾（Merck，104936）、磷酸氢二钠（PanReac，122018）和磷酸二钠（PanReac，131679）。氢氧化钾（Merck，105033）用于纯化BNC。
材料表征
FE-SEM显微图（图1）用于评估BNC、装载5FU的BNC（BNC-5FU）和游离5-氟尿嘧啶（5FU）的形态。在5000倍放大倍数下，BNC和BNC-5FU胶囊显示出相对均匀的结构。相比之下，游离5FU显示出明显的层状结构[24]。在更高的放大倍数（65,000倍）下，BNC的纤维网络清晰可见，BNC-5FU样品保留了
讨论
在这项工作中，我们在结直肠癌（CRC）的动物模型中研究了游离态和封装态5-氟尿嘧啶（5FU）的体内治疗效果，采用了一种新的口服给药途径。这种药物通常用作CRC的化疗药物，但存在高毒性、疗效有限以及耐药性发展的缺点[8]，[9]，[39]。鉴于新药物或治疗方案的开发速度不如
结论
本研究表明，喷雾干燥的BNC是一种有效且可靠的5FU封装和可控释放载体。形态学和光谱分析提供了药物成功结合的补充证据。SEM和EDS证实了BNC的纤维和多孔结构的保留以及5FU在基质中的包裹，而FTIR光谱显示了药物-聚合物结合的分子相互作用。这些结果验证了
CRediT作者贡献声明
伊丽莎白·科雷亚（Elizabeth Correa）：撰写——原始草稿、验证、方法学、研究、形式分析。埃斯特法尼娅·马丁内斯（Estefanía Martínez）：撰写——原始草稿、方法学、研究、形式分析。马龙·奥索里奥（Marlon Osorio）：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、验证、形式分析、概念化。瓦内萨·贝多亚-贝坦库尔（Vanesa Bedoya-Betancur）：方法学、研究。胡安·巴勃罗·伦东（Juan Pablo Rendón）：方法学、研究。克里斯蒂娜·卡斯特罗（Cristina Castro）：资源、项目管理、资金获取。托尼·纳兰霍（Tonny Naranjo）：
伦理声明
本研究得到了安蒂奥基亚大学动物实验伦理委员会的批准（Act 114），并按照哥伦比亚国会通过的84/1989号法律规定的伦理原则进行，特别是第VI章“关于实验和研究中使用活体动物”以及CIOMS（国际医学科学组织理事会）的《1993年8430号决议》和国际生物医学研究涉及动物的指导原则
资助
本研究得到了科学技术创新部（Minciencias）的资助，项目编号为Nanovehículos 92355和Preclínico 92391，属于92332计划“在哥伦比亚开发基于纳米生物结合物的结直肠癌预防和治疗替代方案。NanoBioCancer 2.0 GAT 2.0。代码：121092092332，合同：621-2022。”
未引用参考文献
[31], [32], [34], [36]
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：伊丽莎白·科雷亚报告获得了哥伦比亚科学技术创新部的财务支持、行政支持以及设备和药品或物资的提供。伊丽莎白·科雷亚与一位研究员存在关系，包括资金资助。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益冲突
致谢
本研究得到了科学技术创新部（Minciencias）的资助，项目编号为Nanovehículos 92355和Preclínico 92391，属于92332计划“在哥伦比亚开发基于纳米生物结合物的结直肠癌预防和治疗替代方案。NanoBioCancer 2.0 GAT 2.0。代码：121092092332，合同：621-2022。”
