Literature国际期刊|浙江大学周民/路静团队创造性开发微藻水凝胶，在炎症性肠病(IBD)研究中创出新突破

炎症性肠病（IBD）是一种肠道慢性炎症性疾病，与普通人群相比，IBD患者表现出显著的精神障碍患病率，可能常伴有焦虑和抑郁等。这些精神障碍可能与肠道和大脑之间的复杂沟通，即微生物群-肠-脑轴有关，可能会使IBD患者特别容易患上精神疾病。虽然相关性的作用机制目前并不明确，但是有相关证据显示IBD与抑郁或焦虑之间是存在相互作用的，并且也缺乏有效的治疗方法来改善IBD及相关的精神障碍病症。因此，研究IBD和精神合并症的病因并开发新的治疗干预途径具有重要的意义。

为研究炎症性肠病（IBD）及其相关的抑郁和焦虑症，浙江大学医学院附属第二医院/浙江大学爱丁堡大学联合学院/浙江大学鄂尔多斯鄂托克生物医药联合研究中心周民教授，浙江大学医学院附属第一医院路静研究员，新加坡国立大学陈小元教授团队合作开发了活性微藻口服药物递送系统用于胃肠道疾病治疗及防护，开展微藻药物的动物模型药理和毒理学系统研究，在推动其临床转化上具有重大意义。该研究于2024年2月在国际学术期刊《Advanced Materials》（IF：29.4）上发表，论文标题为“Microalgae-Based Hydrogel for Inflammatory Bowel Disease and Its Associated Anxiety and Depression”。（doi.org/10.1002/adma.202312275）

文章提出了一种用于螺旋藻（Spirulina platensis，简称SP）和大黄酸（rhein）共递送的口服水凝胶策略（SP@Rh-gel），该水凝胶（SP@Rh-gel）可通过调节微生物群-肠-脑轴来治疗IBD及其相关的精神障碍症（焦虑和抑郁）。

研究团队自组装合成大黄酸水凝胶（Rh-gel），并通过添加螺旋藻制备了负载螺旋藻的大黄酸水凝胶（SP@Rh-gel），评价了SP@Rh-gel的物理化学性质，如状态、溶解度、释放特性和肠道滞留能力等，并在慢性结肠炎小鼠模型中，比较了SP@Rh-gel与对照组的治疗效果，包括肠道炎症、肠道微生物群落、肠道屏障、神经炎症、神经可塑性和行为学的评估等。

这项研究证明了微生物群-肠-脑轴在伴有精神疾病的IBD的发展中的重要作用，并提出了一种安全、简单、高效的治疗方法来干预IBD及其伴发的精神障碍疾病。

图1. SP@Rh-gel用于治疗炎症性肠病及伴发的焦虑和抑郁（论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202312275）

文章的创新点是，首次提出了一种基于微藻的水凝胶策略，用于共递送螺旋藻和大黄酸，通过调节微生物群-肠-脑轴来治疗IBD及其相关的焦虑和抑郁。这种策略不仅能够有效改善口服药物的溶解性、释放特性和肠道滞留，还能够同时缓解肠道和神经系统的炎症，维持肠道和神经系统的稳态，从而实现了对IBD和精神障碍的全方位干预。

大黄酸是一种具有抗炎和抗氧化作用的天然化合物，可以用于治疗IBD。首先将大黄酸溶解在碳酸氢钠（NaHCO₃）中，通过加热和超声处理，得到均一的溶液。然后，将溶液冷却至室温，形成Rh-gel。作者使用不同浓度的大黄酸（2, 3, 4, 6, 8 mg/mL），制备了五种Rh-gel，并分别命名为Rh-gel 1, Rh-gel 2, Rh-gel 3, Rh-gel 4和 Rh-gel 5。作者发现，当大黄酸的浓度达到或超过4 mg/mL时，才能观察到水凝胶的形成（见下图2）。

图2. 不同浓度的大黄酸形成的大黄酸水凝胶图

研究发现随着大黄酸浓度的增加，水凝胶的透明度降低，流变性减小，稳定性增强。这意味着高浓度的大黄酸能够形成更紧密和更坚固的水凝胶，但也可能导致大黄酸的过量沉淀，影响水凝胶的均匀性和透光性。因此，研究团队选择了6 mg/mL的大黄酸浓度作为最佳条件，以制备具有良好透明度、流变性和稳定性的水凝胶。

SP@Rh-gel的UV-Vis光谱显示了SP和Rh-gel的特征吸收峰，表明SP在水凝胶中保持了其结构完整性。药物释放研究显示，SP@Rh-gel在模拟肠道环境中实现了持续的大黄酸释放，而在模拟胃环境中释放较少，表明了其在肠道中的靶向释放潜力。结果表明，SP@Rh-gel作为一种新型口服治疗策略，能够有效改善大黄酸的溶解性、释放特性和肠道滞留，为治疗IBD及其相关精神障碍提供了一种有前景的方法。

研究SP@Rh-gel在大鼠小肠上皮细胞（IEC-6）中的体外抗炎作用。利用LPS诱导刺激IEC-6细胞炎症和氧化应激发生，RT-PCR结果显示LPS刺激细胞NF-κB和促炎细胞因子的mRNA表达显著增加，而SP@Rh-gel能有效抑制NF-κB和促炎细胞因子的上调，同时LPS刺激导致IEC-6细胞中ROS的产生（使用Yeasen的50101ES活性氧(ROS)检测试剂盒检测），实验组表现出一定程度的ROS生成减少（见下图3），显示出SP@Rh-gel通过抑制NF-κB信号途径发挥抗炎作用。

图3. ROS荧光图（使用Yeasen的50101ES活性氧(ROS)检测试剂盒）

慢性结肠炎（IBD）小鼠模型建立：利用葡聚糖硫酸钠（DSS）（使用的Yeasen的60316ES结肠炎建模用葡聚糖硫酸钠盐MW:36000~50000）诱导溃疡性结肠炎（IBD），给予小鼠三个周期的治疗，每个周期包含1周的DSS给药和2周的喂水，在第二和第三个喂水期间，小鼠接受PBS、Rh溶胶、Rh凝胶和SP@Rh-gel共14次给药，每隔一天给药一次。对照组在给药期间接受相同剂量的PBS，并在整个期间不补充DSS饮用（见下图4）。

评估不同组小鼠的行为学变化。结果表明，与DSS组相比，SP@Rh-gel治疗组的小鼠在旷场测试（OFT）中表现出更多的中央区域停留时间，在高架十字迷宫（EPM）测试中在开放臂的停留时间和穿越频率显著增加，这反映了焦虑行为的减轻。在强迫游泳测试（FST）和尾部悬挂测试（TST）中，SP@Rh-gel组的小鼠的不动时间显著减少，这表明抑郁行为得到了缓解。DSS诱导的慢性结肠炎会导致精神症状（如焦虑和抑郁），而SP@Rh-gel能有效缓解与慢性结肠炎相关的焦虑和抑郁样行为。

图4. 慢性结肠炎小鼠模型建立

图5. SP@Rh-gel预防DSS诱导的焦虑和抑郁样行为

评估SP@Rh-gel的潜在抗炎和神经保护作用：根据行为实验结果，推测DSS诱导的慢性结肠炎可能通过小胶质细胞介导的炎症途径引发神经毒性，从而导致海马炎症和海马神经可塑性受损。结果显示，DSS的给药导致小鼠海马齿状回（DG）区域新形成的BrdU+/NeuN+标记的神经元和未成熟的DCX+标记的神经元的密度显著降低。DSS组海马DG和CA3区的Nissl阳性活神经元减少，用SP@Rh-gel成功地扭转了这些减少，小胶质细胞活化受到潜在抑制。

通过使用RT-qPCR评估M1和M2小胶质细胞中小胶质细胞标记物的mRNA表达水平来评估SP@Rh-gel对海马炎症的影响。结果表明，SP@Rh-gel治疗组 ，M1小胶质细胞标记物：TNF-α、诱导型NOS（iNOS）和环氧合酶-2（COX-2）的mRNA表达显著降低；M2小胶质细胞的常见标志物：精氨酸-1（Arg-1）和CD28的mRNA表达显著增加。SP@Rh-gel治疗可以调节海马体的炎症反应。

SP@Rh-gel在DSS诱导的慢性结肠炎中的抗炎作用：与DSS组相比，SP@Rh-gel治疗组可以减缓体重减轻，缓解结肠炎的严重症状（如直肠出血和腹泻）及其他相关症状，保持肠壁的完整性。

SP@Rh-gel治疗对于DSS诱导的结肠炎中肠上皮紧密连接蛋白的表达具有显著影响。

• Claudin-1、Occludin-1 和 ZO-1：在DSS诱导的结肠炎组中表达水平显著降低，与对照组相比，表明肠道屏障功能严重受损。

• Zonulin：在DSS组的血浆中观察到上调，Zonulin是调节内皮和上皮细胞紧密连接的关键调节剂，能增加肠道的通透性。

• SP@Rh-gel治疗效果：显著恢复了紧密连接蛋白的缺失，并降低了血浆中Zonulin的水平，表明其有潜力恢复肠道屏障的完整性。

SP@Rh-gel治疗对于调节肠道微生物群落的组成和缓解肠道微生态失调具有显著作用。通过16S rDNA基因测序、Alpha多样性指数、Beta多样性PCoA分析、群落条形图分析、群落热图分析、聚类分析、属级微生物群落分析，结果显示DSS组与对照组和SP@Rh-gel组之间的微生物组成有显著差异。

SP@Rh-gel能够通过抑制NF-κB信号通路的激活来抑制周围和中枢的炎症反应。SP@Rh-gel显著抑制了LPS诱导的NF-κB在RAW 264.7细胞和BV-2细胞中的转移，显著下调了RAW 264.7细胞和BV-2细胞中的促炎细胞因子，如TNF-α、IL-6和IL-1β，SP@Rh-gel抑制NF-κB信号通路的激活，从而抑制炎症反应。

LPS刺激的BV-2小胶质细胞和PC-12细胞的共培养系统是研究SP@Rh-gel治疗的神经保护作用的有效体外研究模型，结果显示SP@Rh-gel可以促进神经元增殖并增强神经突生长，抵消LPS诱导的神经炎症损伤并支持神经再生。

雄性C57BL/6J小鼠每隔一天通过胃管注射300 μL的PBS、Rh-sol（4 mg/mL）、Rh-gel（4 mg/mL）和SP@Rh-gel（SP=2 mg/mL, Rh=4 mg/mL），持续一个月。治疗后，收集小鼠的全血和血清样本进行血常规和生化分析，同时切除主要器官（大脑、心脏、肝脏、脾脏、肺、肾、胃和肠）进行组织病理学评估。

结果显示，SP@Rh-gel在体外具有良好的生物相容性和口服安全性，在口服给药后不会对小鼠的主要器官造成显著的组织病理学损伤，显示出其潜在的临床应用安全性。

文章探讨了SP@Rh-gel水凝胶在治疗DSS诱导的IBD小鼠模型中的胃肠功能障碍和合并的相关精神症状（抑郁和焦虑）中的有效性和机制。研究团队创造性的合成了SP@Rh-gel水凝胶，SP@Rh-gel口服给药能够调节炎症途径，改变肠道微生物的多样性、组成和功能，从而通过肠道-微生物-大脑轴减轻DSS诱导的慢性结肠炎小鼠的结肠炎症状以及类似焦虑和抑郁的行为。SP@Rh-gel治疗能够减轻周围和中枢的炎症反应，并通过维持肠道屏障完整性、抑制NF-κB-caspase-1信号通路以及调节小胶质细胞极化从M1向M2转变，促进神经发生。此外，SP@Rh-gel治疗还能够通过调节肠道微生物的多样性和组成以及与炎症、焦虑和抑郁相关的肠道微生物代谢物，恢复DSS诱导的肠道微生物失衡。这些发现强调了肠道-微生物群-大脑相互作用在IBD患者焦虑和抑郁发生中的重要作用，并提出了一种有前景的治疗方法干预IBD及其相关的精神并发症，为临床应用提供了有价值的方案，并可能对胃肠道疾病和相关精神症状的治疗产生重要影响。

在该研究中，研究团队使用了翌圣生物Dextran Sulfate Sodium Salt(DSS) 结肠炎建模用葡聚糖硫酸钠盐MW:36000~50000（60316ES）进行小鼠结肠炎造模：

使用Reactive Oxygen Species Assay Kit 活性氧(ROS)检测试剂盒（DCFH-DA）（50101ES）进行ROS活性氧检测：

DSS结肠炎建模用葡聚糖硫酸钠盐MW:36000~50000发表文献（不完全统计）：

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ROS活性氧检测试剂盒发表文献（不完全统计）：