Intestine-Targeted Controlled Hydrogen-Releasing MgH2 Microcapsules for Improving the Mitochondrial Metabolism of Inflammatory Bowel Disease

用于改善炎癥性腸病線粒體代謝的腸道靶向控釋氫化鎂微膠囊

來(lái)源：Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2316227

先進(jìn)功能材料

摘要內(nèi)容：

該研究開(kāi)發(fā)了一種新型腸道靶向控釋氫化鎂微膠囊（MgH?@EC@ES），通過(guò)多層乳化法將MgH?微粒包封于乙基纖維素（EC）疏水網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，外層覆以Eudragit S100（ES）。該微膠囊在胃酸環(huán)境中穩(wěn)定，在腸道pH響應(yīng)下溶脹并持續(xù)水解釋放氫氣（H?）。在結(jié)腸炎小鼠模型中，高劑量口服該微膠囊的預(yù)防效果與一線藥物5-氨基水楊酸（5-ASA）相當(dāng)（體重/脾臟重量和疾病活動(dòng)性改善），且在結(jié)腸長(zhǎng)度恢復(fù)和組織病理學(xué)改善方面優(yōu)于5-ASA。機(jī)制上，H?通過(guò)保護(hù)線粒體電子傳遞鏈（ETC）復(fù)合體免受氧化損傷，增強(qiáng)腸細(xì)胞能量代謝，促進(jìn)黏膜修復(fù)。

研究目的：

解決炎癥性腸病（IBD）治療中高效低毒藥物的需求，克服傳統(tǒng)氫氣療法（如富氫水）載氫量低、胃酸分解導(dǎo)致腸道氫氣生物利用度不足的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)腸道靶向、高劑量、持續(xù)性的氫氣遞送。

研究思路：

材料設(shè)計(jì)與合成：

采用多步乳化法構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)微膠囊（MgH?@EC@ES）：

核心：MgH?微粒嵌入疏水性乙基纖維素（EC）網(wǎng)絡(luò)，延緩水解。

外殼：pH響應(yīng)型Eudragit S100（ES），胃部（pH 1.2）不溶，腸道（pH 7.0）溶脹允許水分滲透。

體外性能驗(yàn)證：

表征微膠囊形貌、結(jié)構(gòu)（SEM、共聚焦顯微鏡）。

測(cè)試模擬胃腸液中的穩(wěn)定性及pH響應(yīng)釋氫行為（GC、氫電極）。

體內(nèi)遞送與分布：

熒光/Cy5標(biāo)記追蹤微膠囊在胃腸道的轉(zhuǎn)運(yùn)（活體成像）。

氫電極直接測(cè)量結(jié)腸局部H?濃度。

療效與機(jī)制研究：

DSS誘導(dǎo)結(jié)腸炎小鼠模型，評(píng)估微膠囊預(yù)防效果（體重、DAI、結(jié)腸長(zhǎng)度、組織病理）。

對(duì)比5-ASA和MgSO?@EC@ES（無(wú)H?釋放對(duì)照）。

通過(guò)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、ATP檢測(cè)、線粒體復(fù)合體蛋白分析等揭示H?保護(hù)線粒體ETC、增強(qiáng)能量代謝的機(jī)制。

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義（標(biāo)注圖表來(lái)源）：

材料表征：

SEM（圖1c, g）和共聚焦成像（圖1f）：確認(rèn)微膠囊核殼結(jié)構(gòu)及MgH?均勻分散，意義：驗(yàn)證合成策略成功實(shí)現(xiàn)MgH?的包封與保護(hù)。

XRD、FTIR：證明包封過(guò)程未破壞MgH?晶體結(jié)構(gòu)，成分符合設(shè)計(jì)。

體外釋氫行為：

模擬胃液（pH 1.2）中微膠囊形態(tài)穩(wěn)定且無(wú)H?釋放（圖1h）；模擬腸液（pH 7.0）中持續(xù)釋氫>48小時(shí)（圖1i,）。意義：證實(shí)pH響應(yīng)靶向釋氫特性，避免胃部分解。

體內(nèi)分布與氫氣生物利用度：

熒光成像（圖2a-c如下）和ICP測(cè)鎂含量：微膠囊口服后4-6小時(shí)主要富集于腸道，12小時(shí)后逐漸排出。

Unisense氫電極測(cè)量結(jié)腸H?濃度（圖2d 如下）：

數(shù)據(jù)：給藥后4小時(shí)結(jié)腸H?濃度顯著上升，6小時(shí)達(dá)飽和溶解度（約0.8 mM）。

研究意義：直接證明微膠囊在目標(biāo)部位（結(jié)腸）實(shí)現(xiàn)了高濃度、持續(xù)性的H?遞送，解決了口服MgH?粉末或富氫水在腸道H?生物利用度低的關(guān)鍵問(wèn)題。該數(shù)據(jù)是驗(yàn)證"腸道靶向高效遞氫"核心假設(shè)的直接證據(jù)。

治療效果數(shù)據(jù)：

體重變化、DAI評(píng)分（圖3b-c 如下）：高劑量微膠囊（800 mg/kg）效果與5-ASA相當(dāng)，顯著優(yōu)于模型組。

結(jié)腸長(zhǎng)度恢復(fù)（圖3d, f）、脾臟重量減小（圖3d, g）、組織病理評(píng)分改善（圖3e, h）：微膠囊效果優(yōu)于5-ASA，且依賴H?釋放（MgSO?@EC@ES無(wú)效）。意義：證實(shí)微膠囊的優(yōu)越治療效能。

腸道屏障修復(fù)（圖4）：微膠囊上調(diào)緊密連接蛋白（ZO-1, Occludin）表達(dá)，促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增殖（Ki-67）和類器官生長(zhǎng)（圖4g-h），意義：揭示H?促進(jìn)黏膜修復(fù)的細(xì)胞機(jī)制。

分子機(jī)制數(shù)據(jù)：

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（圖5）：富集到線粒體相關(guān)基因和氧化磷酸化通路上調(diào)。

ATP水平檢測(cè)（圖6b如下）：微膠囊顯著恢復(fù)結(jié)腸線粒體ATP產(chǎn)量。

線粒體ETC復(fù)合體蛋白水平（圖6f-g, i）：H?特異性保護(hù)復(fù)合體II（SDHA）等免受氧化損傷。意義：創(chuàng)新性揭示H?通過(guò)維護(hù)ETC功能增強(qiáng)能量代謝，支持黏膜修復(fù)。

結(jié)論：

成功開(kāi)發(fā)具有核殼結(jié)構(gòu)的腸道靶向控釋MgH?微膠囊（MgH?@EC@ES），實(shí)現(xiàn)口服后結(jié)腸局部高濃度、持續(xù)性H?釋放。

高劑量微膠囊在結(jié)腸炎預(yù)防中綜合療效優(yōu)于一線藥物5-ASA，尤其在促進(jìn)黏膜修復(fù)（結(jié)腸長(zhǎng)度恢復(fù)、組織病理改善）方面。

機(jī)制上首次揭示：H?通過(guò)靶向保護(hù)線粒體ETC復(fù)合體（尤其是復(fù)合體II）免受氧化損傷，增強(qiáng)腸細(xì)胞能量代謝，從而促進(jìn)上皮再生和屏障修復(fù)。該研究為氫氣療法在IBD中的應(yīng)用提供了創(chuàng)新劑型和機(jī)制見(jiàn)解。

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀：

使用Unisense微電極在小鼠結(jié)腸腔內(nèi)直接測(cè)量的溶解H?濃度數(shù)據(jù)（圖2d）具有以下關(guān)鍵研究意義：

靶向遞送驗(yàn)證：給藥后前2小時(shí)結(jié)腸H?濃度極低，證明微膠囊在胃部（酸性環(huán)境）幾乎不釋氫；4-6小時(shí)濃度驟升并達(dá)飽和，明確證實(shí)微膠囊僅在腸道環(huán)境響應(yīng)性釋氫，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)靶向。

生物利用度量化：6小時(shí)結(jié)腸H?濃度達(dá)0.8 mM（生理飽和濃度），遠(yuǎn)高于富氫水的遞送能力（通常<0.8 mM且持續(xù)時(shí)間短），解決了傳統(tǒng)氫氣療法腸道劑量不足的瓶頸。

藥效相關(guān)性：H?濃度峰值時(shí)間（4-6小時(shí)）與微膠囊腸道滯留峰值（圖2c）及最佳治療效果時(shí)段吻合，為"高劑量腸道H?直接驅(qū)動(dòng)療效"提供直接證據(jù)。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：相較于間接檢測(cè)（如血液H?濃度），原位電極測(cè)量更準(zhǔn)確反映結(jié)腸局部生物可利用H?水平，是評(píng)價(jià)腸道靶向遞送系統(tǒng)的金標(biāo)準(zhǔn)。