口服纳米阵列水凝胶介导的巨噬细胞极化重置及铁死亡抑制机制在炎症性肠病治疗中的应用

《Journal of Controlled Release》：Oral nanoarray hydrogel-mediated macrophage repolarization and ferroptosis suppression for inflammatory bowel disease treatment

　　

罗 Zhao | 马子琳 | 杜彦格 | 王子晴 | 吴丽璐 | 张洋洋 | 刘欣欣 | 牛梦雅 | 李媛媛 | 王磊

郑州大学药学院，中国郑州 450001

摘要

炎症性肠病（IBD）与巨噬细胞的失调密切相关，尤其是抗炎型M2巨噬细胞不足。然而，目前的治疗方法主要侧重于M2巨噬细胞的极化，而对氧化应激条件下M2巨噬细胞的铁死亡（ferroptosis）敏感性关注较少。在此，我们开发了一种口服纳米阵列水凝胶（BAN@Ca），通过阻断铁死亡途径和重塑巨噬细胞表型来恢复免疫稳态。该水凝胶通过将胆红素-海藻酸盐自组装纳米颗粒（BAN）与钙离子（Ca²⁺）交联而成，具有双重pH/酶响应性，能够在结肠特异性降解，并克服传统水凝胶的扩散障碍，从而在病变部位快速释放有效成分。机制上，释放的BAN特异性靶向M2巨噬细胞，并利用胆红素清除活性氧（ROS）并上调GSH/GPX4通路，有效阻止脂质过氧化引起的铁死亡，确保细胞存活。同时，共释放的Ca²⁺激活PI3K/AKT信号通路，促使促炎型M1巨噬细胞向M2表型转化，补充M2巨噬细胞池。体外和体内研究均证实，BAN@Ca显著缓解结肠炎症状并促进黏膜愈合。本研究表明，协同调节巨噬细胞极化和铁死亡敏感性是一种高效且新颖的IBD治疗策略。

引言

炎症性肠病（IBD）是一种全球范围内高发的慢性复发性胃肠道疾病[1]、[2]、[3]。其核心病理基础在于黏膜免疫反应的持续失调，尤其是肠道巨噬细胞的异常极化[4]、[5]。作为关键效应细胞，肠道巨噬细胞对于维持黏膜免疫稳态、协调局部炎症反应和促进组织修复至关重要[6]、[7]、[8]。在IBD进展过程中，炎症环境的持续刺激导致巨噬细胞极化平衡发生显著变化，促炎型M1表型占主导地位并持续分泌IL-6和IL-1β等细胞因子，从而加重黏膜损伤[9]、[10]。相比之下，具有免疫调节和组织修复功能的M2巨噬细胞数量不足[11]、[12]、[13]。因此，纠正M1/M2失衡被认为是恢复肠道免疫稳态的重要策略。

值得注意的是，M1/M2失衡并非仅由M1表型过度激活引起；更关键的病理基础是M2巨噬细胞的显著减少和功能衰竭[14]。尽管炎症信号可能诱导部分M2细胞表型转化，但铁死亡已被确定为IBD微环境中M2巨噬细胞减少的主要机制，这种环境特征是高氧化应激和铁代谢紊乱[14]、[15]、[16]。研究表明，与促炎型M1表型相比，M2巨噬细胞对脂质过氧化引起的铁死亡具有高度敏感性，因为其内源性抗氧化防御能力较弱[14]、[16]、[17]。这种特异性脆弱性不仅导致M2细胞数量急剧下降，细胞死亡过程中释放的损伤相关分子模式（DAMPs）还会进一步放大炎症级联反应[18]。然而，当前的治疗策略主要集中在促进极化上，往往忽视了M2巨噬细胞生存能力有限这一根本限制，使得在如此恶劣的微环境条件下难以实现持久疗效。因此，单纯增强极化不太可能有效恢复免疫稳态。更合理的策略应优先阻断铁死亡途径，提高M2巨噬细胞的生存能力和功能稳定性，并在此基础上协同促进M1向M2的极化，从而更有效地重建肠道免疫稳态。

为了同时调节M2巨噬细胞的生存微环境和纠正免疫功能障碍，高效的口服递送系统至关重要。传统的口服纳米颗粒制剂可以提高药物稳定性和局部暴露度，但仍可能面临全身分布广泛和结肠滞留不足的问题[19]、[20]、[21]。水凝胶在增强结肠滞留和减少脱靶暴露方面具有优势[22]、[23]；然而，传统凝胶系统通常药物载量低且早期药物泄漏[24]、[25]。尽管近年来出现了纳米颗粒-水凝胶复合系统，结合了两种方法的优点，但这一策略面临主要配方瓶颈：密集的水凝胶网络会形成显著的扩散障碍，导致纳米颗粒释放延迟或“效应掩盖”，阻碍药物在病变部位迅速达到有效浓度[26]、[27]、[28]。因此，开发一种结合长期结肠滞留和微环境响应性快速解体的递送平台对于提高M2巨噬细胞存活率和增强治疗效果具有重要意义。

为了解决这些挑战，我们基于海藻酸钠（Alg）和胆红素（BR）开发了一种自组装纳米结构水凝胶，称为BAN@Ca（图1）。该平台通过优化病变微环境来优先保护M2巨噬细胞的生存，并在此基础上协同促进M1向M2的表型转化，从根本上纠正M1/M2失衡。具体而言，将疏水性胆红素接枝到亲水性海藻酸盐骨架上，形成纳米颗粒（BAN），然后引入Ca²⁺进行交联，形成BAN@Ca纳米阵列水凝胶递送系统。这种纳米阵列结构使制剂在胃和小肠中保持相对稳定，同时在到达结肠后迅速响应局部pH变化和酶条件而解体。系统随后释放游离的Ca²⁺和完整的BAN纳米颗粒，实现对递送和释放的层次控制，缓解传统水凝胶系统常见的释放限制和暴露不足问题。机制上，暴露的BAN纳米颗粒通过甘露糖受体（CD206）相关途径靶向M2巨噬细胞。作为强效的内源性抗氧化剂，胆红素可以直接清除活性氧并上调GPX4表达，从而阻断铁死亡并改善炎症微环境中的M2巨噬细胞存活。同时，共释放的Ca²⁺通过激活PI3K/AKT信号通路，强有力地促进M1向M2的极化，提供持续的M2细胞来源。总体而言，这项工作开发了一种安全有效的靶向纳米递送平台，展示了协同调节巨噬细胞极化和铁死亡敏感性在IBD治疗中的治疗潜力，为基于机制的干预和递送策略提供了新的见解。

章节片段

BAN@Ca纳米阵列水凝胶的制备与表征

为了实现结肠特异性递送和协同治疗，我们设计了一种微环境响应性的BAN@Ca纳米阵列水凝胶（图2A）。首先，通过两亲性BR–Alg结合物的自组装制备了以胆红素为核的海藻酸盐纳米颗粒（BAN），并通过¹H NMR光谱验证（图S1）。动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）表征显示（图2B, C），BAN具有均匀性

材料

胆红素（BR）、海藻酸钠（Alg）、无水氯化钙（CaCl₂）和硫酸葡聚糖钠（DSS，MW 40 kDa）购自Macklin Biochemical（上海，中国）；RSL3购自Aladdin（上海，中国）；过氧化氢（H₂O₂，30%）购自洛阳化学试剂（河南，中国）；模拟胃液和肠液（含磷酸盐缓冲液中的胰蛋白酶）购自Yuanye Biotech（上海，中国）。CCK-8、BCA蛋白测定试剂盒、HBSS、0.5 M EDTA、0.5 M DTT、JC-1

结论

总之，我们开发了一种靶向结肠的口服纳米阵列水凝胶系统（BAN@Ca），通过协同抑制铁死亡和促进巨噬细胞向修复性表型极化来缓解IBD。独特的纳米阵列结构确保了在胃和小肠传输过程中的结构稳定性，同时在具有特定pH和酶水平的炎症性结肠微环境中快速响应性解体。

CRediT作者贡献声明

罗 Zhao：验证、项目管理、方法学、研究。马子琳：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。杜彦格：研究。王子晴：方法学、研究。吴丽璐：撰写——审阅与编辑。张洋洋：撰写——审阅与编辑。刘欣欣：可视化、验证、资源准备。牛梦雅：验证。李媛媛：验证。王磊：监督、资金获取。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号：U24A20810、82272847）、河南省优势学科培育基金（编号：222301420012）、中原科技创新领军人才项目（编号：234200510005）以及河南省科技创新团队计划（编号：25IRTSTHN037）的支持。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。