基于多层结构纳米颗粒的姜黄素与岩藻黄质共包封：体外程序控释序释行为及体内生物利用度研究

《Food Science & Nutrition》：Co-Encapsulation of Curcumin and Fucoxanthin With Multilayer Structural Nanoparticles: In Vitro Programmed Sequential Release Behavior and In Vivo Bioavailability Studies

　　

食品级共递送系统具有程序控释序释特性，可实现两种生物活性物质在胃肠道不同部位的序贯递送，提高其在体内的生物利用度，已成为新兴研究领域。本研究基于结构设计原理，采用层层自组装技术，以醇溶蛋白、羧甲基魔芋葡甘聚糖及盐酸壳聚糖为材料构建具有程序控释序释特性的多层结构纳米颗粒（MSNPs），用于共包封姜黄素（Cur）和岩藻黄质（FUC）。通过体外消化模型考察其程序控释序释行为。研究表明，位于MSNPs外层的Cur在模拟胃液中主要通过扩散与溶蚀并行的机制释放；位于内层的FUC释放则以扩散为主导。在模拟肠液中大量Cur通过溶蚀机制释放；随后在模拟结肠液中，在β-甘露聚糖酶作用下FUC大量释放，其释放受溶蚀机制调控。本研究揭示了MSNPs在通过胃肠道不同区段时由扩散向溶蚀转变的程序控释机制，这一点在先前的共递送系统中鲜有涉及。值得注意的是，体内动物模型证实MSNPs提高了外层包封生物活性物质的生物利用度，并减少了内层包封生物活性物质在上消化道中的生物分布。对程序控释序释行为的深入研究对于拓展MSNPs在食品级共递送系统中的应用具有重要意义。

研究背景：功能性食品的开发是食品科学领域的重要方向，含有多种生物活性成分且具有协同健康益处的功能性食品日益受到关注。不同生物活性物质常常在胃肠道不同部位发挥其生理功能，例如姜黄素（Cur）主要作用于小肠，具有抗炎和抗氧化活性；而岩藻黄质（FUC）则主要在结肠发挥抗癌和抗肥胖等有益作用。简单将两种生物活性物质混合后一同递送无法实现靶向释放和最大功效。目前大多数共递送系统仅针对胃肠道单一靶点，主要为小肠靶向或结肠靶向递送系统。针对这一挑战，迫切需要能够按预定程序在胃肠道不同部位序贯释放不同生物活性物质的共递送系统。然而，现有食品级共递送系统大多设计为单一靶点释放，仅有少数研究尝试构建程序控释序释系统，且其释放动力学及潜在机制尚不明确。基于此，研究人员前期构建了多层结构纳米颗粒（MSNPs），通过层层吸附具有结肠降解性能的羧甲基魔芋葡甘聚糖（CMK）和具有优良生物黏附性能的盐酸壳聚糖（CHC），在醇溶蛋白纳米颗粒（Gli NPs）表面进行组装，实现了Cur和FUC的共包封及程序控释序释性能。但对于MSNPs在消化过程中的变化、程序控释序释行为及其体内生物利用度缺乏深入研究。

关键技术与方法：本研究采用的主要关键技术方法包括：（1）层层自组装技术制备MSNPs，以醇溶蛋白纳米颗粒为内核，依次包覆羧甲基魔芋葡甘聚糖和盐酸壳聚糖；（2）动态光散射技术表征纳米颗粒的粒径、电位及粒径分布；（3）扫描电子显微镜观察纳米颗粒形貌；（4）高效液相色谱法定量分析生物活性物质含量；（5）体外模拟消化模型，包括模拟胃液（SGF，pH 1.2，含胃蛋白酶9600 U/L）、模拟肠液（SIF，pH 6.8，含胰蛋白酶25000 U/L、脂肪酶1.6 mg/mL、α-淀粉酶10 U/mL及胆盐5 mg/mL）和模拟结肠液（SCF，pH 7.4，含β-甘露聚糖酶6000 U/L）；（6）Zero-order、First-order、Higuchi及Korsmeyer-Peppas四种动力学模型拟合释放数据；（7）体内药代动力学评价，采用4周龄雄性ICR小鼠（由中国海洋大学动物伦理委员会批准），灌胃剂量为FUC 10 mg/kg体重、Cur 25 mg/kg体重，于0.5、1、2、4、6、8、12 h眼眶采血，测定血浆中Cur及FUC代谢产物岩藻黄质醇（FxOH）的浓度。

研究结果：

3.1 模拟胃肠道条件下FUC-Cur-MSNPs的表征：初始未消化MSNPs粒径约618.2 nm，呈单峰分布，因CHC包覆而带正电。在SGF中消化2 h后粒增至916.5 nm，归因于外层CHC的溶胀及少量结构破坏导致的聚集；正电位降低与高离子强度下的静电屏蔽及少量CHC脱附有关。在SIF中消化3 h后粒径显著增加，分布变宽呈多峰，电荷由正转负，源于CHC进一步溶胀脱附、暴露的负电纳米颗粒聚集，以及Cur释放后与胆盐形成小粒径结晶复合物。在SCF中粒径减小、负电荷降低，系暴露的Gli-CMK NPs逐渐降解所致。形貌观察显示，SGF中MSNPs保持完整；SIF中出现黄色沉淀及球形颗粒聚集；SCF中无明显大颗粒，多层结构逐渐分解。

3.2 模拟胃肠道条件下FUC-Cur-MSNPs的释放曲线：SGF中Cur释放率约25%，酸性环境和胃蛋白酶对其释放无显著影响，CHC的低pH和抗胃蛋白酶特性保护了MSNPs结构；FUC释放仅11%，来自表面附着FUC的扩散及不完全包封Gli NPs的裂解。SIF中Cur释放达约78%，酶和胆盐对MSNPs结构影响极小，大量Cur释放主要依赖外层CHC的溶胀扩散；FUC释放受SIF中酶的影响，与胆盐无关。SCF中β-甘露聚糖酶是FUC释放的关键因素，β-甘露聚糖酶添加组FUC大量释放，而无酶组释放显著减少且速率减慢，内层FUC主要依赖β-甘露聚糖酶的溶蚀释放。

3.3 FUC-Cur-MSNPs的释放动力学与机制：Zero-order模型能较好描述MSNPs释放行为（R² > 0.95）。Cur在SIF中的k值高于SGF，与CHC在SIF中完全溶胀有关；FUC在SCF中的k值显著大于SGF和SIF，归因于β-甘露聚糖酶对暴露Gli-CMK NPs的降解。Korsmeyer-Peppas模型揭示：Cur在SGF的n值为0.65271（0.43 < n < 0.85），属非Fickian扩散，为扩散与溶蚀并行机制；在SIF的n值为1.32993（n > 0.85），属Fickian case II运输，以溶蚀机制为主。FUC在SGF的n值为0.38885（n < 0.43），属Fickian case I运输，释放以扩散为主；在SIF和SCF的n值分别为0.99383和1.41261（均n > 0.85），均以溶蚀机制为主导。该程序控释序释机制的独特性在于：MSNPs在胃中相对稳定，Cur外层通过扩散-溶蚀并行机制少量释放，FUC内层以扩散为主；进入小肠后CHC层溶胀、结构逐步破坏，Cur大量通过溶蚀释放；到达结肠后，在β-甘露聚糖酶作用下内层CMK降解，FUC大量通过溶蚀释放。

3.4 FUC-Cur-MSNPs的药代动力学分析：Cur对照组T_max为2 h，C_max为0.224 μg/mL，AUC_0–12为0.916 h·μg/mL；MSNPs组T_max延至4 h，C_max增至0.675 μg/mL，AUC_0–12增至5.037 h·μg/mL，生物利用度提高4.7倍。FUC对照组T_max为4 h；MSNPs组T_max延至6 h，C_max为0.058 nmol/mL，低于对照组0.185 nmol/mL。MSNPs延长了外层Cur的吸收时间并提高其血药浓度，同时减少了内层FUC在上消化道的释放，实现其结肠靶向递送。

讨论总结与研究结论：本研究深入阐明了基于结构设计原理构建的MSNPs的程序控释序释机制及其体内生物利用度。体外研究表明，MSNPs在SGF中保持稳定，Cur通过扩散-溶蚀并行机制少量释放，FUC以扩散机制少量释放；在SIF中MSNPs结构破坏，Cur大量通过溶蚀释放；在SCF中β-甘露聚糖酶降解暴露的Gli-CMK NPs，FUC大量通过溶蚀释放。这种从扩散到溶蚀的程序性转变为食品级共递送系统的设计提供了新思路。体内药代动力学证实MSNPs提高了外层生物活性物质的生物利用度（Cur提高4.7倍），延长了作用时间，同时减少了内层生物活性物质在上消化道的生物分布，实现了其结肠靶向递送。该研究拓展了MSNPs在食品级共递送系统中的应用，为具有不同胃肠道位点特异性要求的多重生物活性物质序贯递送提供了通用策略。

研究结论：本研究采用醇溶蛋白-羧甲基魔芋葡甘聚糖纳米颗粒为内核、盐酸壳聚糖为最外层载体材料，通过层层自组装技术制备了基于多层结构纳米颗粒的共递送系统，实现了Cur和FUC的共包封及其在小肠和结肠的程序控释序释释放。体外消化研究表明，MSNPs在模拟胃液中保持相对稳定状态，少量位于外层的Cur通过扩散与溶蚀并行的机制释放，而位于内层的FUC释放主要以扩散为主导。在模拟肠液中，MSNPs结构被破坏，大量Cur通过溶蚀机制释放。由于模拟结肠液中β-甘露聚糖酶的降解作用，大量FUC从暴露的Gli-CMK纳米颗粒中通过溶蚀释放。此外，体内药代动力学分析证实，MSNPs提高了外层包封生物活性物质的生物利用度，减少了内层包封生物活性物质在上消化道的释放，实现了其向结肠的递送。本研究对于拓展具有程序控释序释性能的多层结构纳米颗粒在共递送领域的应用、提高多重生物活性物质的生物利用度具有重要价值。此外，本研究构建的多层结构纳米颗粒作为一种通用策略，还可用于其他具有胃肠道不同位点特异性要求的生物活性物质对的程序控释序释释放，超越了Cur和FUC共包封的范畴。