Redox Biol︱王显祥团队报道抗结肠炎潜在纳米药物：一种新型纳米酶PMNFs在治疗DSS诱导的小鼠结肠炎中的作用机制

撰文︱郭海

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一

溃疡性结肠炎（Ulcerative colitis ，UC）是结肠的一种原因尚不十分明确的慢性非特异性炎症[1]。UC患者通常表现为腹痛、便血、体重减轻和肠漏[2]。而且，如果不及时治疗UC，就有发生结肠癌的风险。到目前为止，由于UC的高发病率，已成为全球广泛关注的问题之一[2]。UC的发病机制尚不清楚，已证明UC的发生和发展涉及多因素的发病机制，如炎症、肠粘膜屏障损伤、环境因素、遗传易感性，甚至肠道微生物群[3]。UC病程漫长，且常反复发作，目前对UC的主要治疗方法为药物治疗，常用药物包括氨基水杨酸类药物、糖皮质激素类药物、免疫抑制剂和生物制剂[4, 5]，但需要长期用药，伴随着一定的副作用，而生物制剂会对患者产生较大的经济负担且耐受性较差，因此开发新的安全、有效、经济的抗UC药物是十分必要的。

2022年8月17日，四川农业大学的王显祥教授课题组在Redox Biology上发表标题为 “Mo₃Se₄ nanoparticle with ROS scavenging and multi-enzyme activity for the treatment of DSS-induced colitis in mice” 的研究论文，该研究设计了一种具有优异多酶活性和生物安全性的聚乙二醇（PEG）功能化修饰的Mo₃Se₄纳米酶（PMNFs)，并揭示PMNFs通过激活Nrf2-keap1和TLR4/NF-κB等信号通路，以及维持肠道机械屏障来抑制结肠炎。该研究成果为溃疡性结肠炎的治疗提供一种新的治疗方案，在治疗氧化应激引起的各种疾病方面都具有潜在的应用价值。

作者首先设计了不同给药剂量条件下PMNFs对小鼠结肠炎的治疗作用，通过肝、肾功能以及组织病理学损伤确定有效且相对安全的给药剂量（100 mg/kg）。观察发现，与DSS对照组相比，PMNFs联合治疗的小鼠组表现出明显改善的结肠炎症状，即体重减轻较少，DAI评分较低，结肠缩短较少。作为评估IBD疾病状态的生物标志物-髓过氧化物酶（MPO），经PMNFs联合治疗后结肠MPO活性显著降低，表明PMNFs抑制了结肠中性粒细胞浸润。此外，施用PMNFs显著减轻结肠炎的组织学症状，包括组织损伤和炎性浸润。这些结果表明PMNFs可以有效缓解DSS诱导的结肠炎症状（图1）。

图1 PMNFs减轻小鼠结肠炎症状

（图源：hongrui Guo, et al., Redox Biology, 2022）

为了验证PMNFs对结肠氧化应激的作用，作者检测了DSS组和PMNFs治疗组氧化应激水平，结果显示，DSS诱导的结肠中的氧自由基（ROS）水平显著增加，PMNFs处理抑制了ROS的产生。同时，氧化损伤标志物丙二醛（MDA）在结肠中也被PMNFs显著降低。并且经PMNFs处理后，包括T-AOC、CAT、GPx和SOD活性以及GSH水平在内的抗氧化能力也得以恢复。此外，结果还证实，PMNFs可以清除RAW 264.7巨噬细胞中LPS诱导的ROS水平。通过检测抗氧化途径Nrf2-keap1信号通路。发现DSS组keap1蛋白水平的增加和Nrf2蛋白水平的降低，这表明Nrf2-keap1信号通路在DSS诱导的结肠炎小鼠中被抑制，然而经PMNFs处理逆转了这种抑制。同时，检测到Nrf2-keap1信号通路的下游蛋白，结果表明，与PMNFs共处理后，NADPH醌氧化还原酶1（NQO1）和血红素加氧酶1（HO-1）水平升高。而且，与DSS组相比，PMNFs共处理显著增加了抗氧化酶（CuZn-SOD、Mn-SOD和CAT）的mRNA水平。总之，PMNF的抗氧化活性应通过直接清除活性氧和重建Nrf2介导的细胞抗氧化来介导（图2）。

图2 PMNFs抑制DSS在小鼠结肠中诱导的氧化损伤

（图源：hongrui Guo, et al., Redox Biology, 2022）

接着，作者研究了PMNFs对DSS诱导的UC炎症反应的影响。结果表明，DSS触发后，血清和结肠中的促炎细胞因子IL-1β、IL-6、TNF-α和IFN-β水平显著升高，但PMNFs处理后有效抑制了DSS的作用，并控制了促炎细胞素含量的增长。与此一致，使用PMNFs的联合治疗小鼠通过DSS明显消融增强的IL-1β、IL-6、TNF-α和IFN-βmRNA表达。此外，Toll样受体4（TLR4）/核因子κB（NF-κB）途径的参与与UC的炎症反应密切相关，TLR4和p–NF-κB蛋白水平的增加和IκBα蛋白水平的降低表明在DSS诱导的结肠炎小鼠中TLR4/NF-µB途径被激活。相反，共处理PMNFs可以逆转DSS引起的结果。使用RAW264.7细胞在体外研究PMNFs的抗炎活性，在用PMNFs预处理2小时后，用LPS进一步刺激细胞6小时后，发现PMNFs以剂量依赖性方式抑制LPS诱导的炎症。通过与LPS组的比较，DSS+PMNFs组的促炎细胞因子（IL-1β、IL-6、TNF-α和IFN-β）的蛋白水平和mRNA表达显著降低。此外，实验结果显示，PMNFs还对LPS诱导的炎症具有抗炎作用，因为PMNFs可以抑制LPS诱导TLR4/NF-κB通路的激活，在RAW264.7细胞中，LPS触发的NF-κB的核移位也被PMNFs抑制。综上所述，PMNFs的抗炎活性主要表现为抑制TLR4/NF-κB的激活（图3，4）。

图3 PMNFs抑制DSS在小鼠结肠中诱导的炎症

（图源：hongrui Guo, et al., Redox Biology, 2022）

图4 PMNFs抑制LPS在RAW264.7巨噬细胞中诱导的炎症

（图源：hongrui Guo, et al., Redox Biology, 2022）

最后，检测了结肠中粘蛋白-2（MUC-2）含量水平。MUC-2是杯状细胞分泌的最丰富的粘液蛋白，结果显示，与DSS组的结果相比，PMNFs治疗导致MUC-2表达增加，这可以维持结肠粘膜层的完整性并保护杯状细胞。DSS处理组中的小鼠表现出杯状细胞的减少，而PMNFs处理显著增加了杯状细胞。此外，TUNEL染色结果表明，PMNFs具有防止DSS诱导的结肠凋亡的能力。与上述研究一致，DSS处理组小鼠的紧密连接（TJ）蛋白（claudin-1、闭塞素和ZO-1）显著减少，但PMNFs处理组的结果表明，PMNFs修复了这三种蛋白的表达，从而恢复了肠粘膜屏障的完整性。综合这些结果，可以得出结论，PMNFs对DSS诱导的结肠炎的抑制也与其对上皮和粘膜屏障的保护有关（图5）。

图5 PMNFs改善DSS在小鼠结肠中诱导的肠道屏障破坏

（图源：hongrui Guo, et al., Redox Biology, 2022）

图6 PMNFs改善DSS在小鼠结肠炎的机理示意图

（图源：hongrui Guo, et al., Redox Biology, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究证明Mo₃Se₄纳米酶（PMNFs）作为一种新型纳米酶，可以有效缓解DSS诱导的结肠炎症状。PMNFs处理抑制了DSS诱导的结肠氧化损伤，包括ROS和MDA的减少，以及抗氧化酶（T-AOC、CAT、GPx和SOD）活性和GSH水平的增加。此外，在LPS引发的RAW 264.7巨噬细胞中，PMNFs也可以清除ROS。为了发现PMNFs抗氧化作用的分子机制，测量了Nrf2-keap1信号通路。有趣的是，PMNFs处理激活了Nrf2-keap1信号通路，在本研究中，DSS对Nrf2靶向分子（HO-1和NQO-1）的抑制表达在与PMNFs共同给药后显著逆转。并且，在PMNFs治疗后，血清和结肠中的促炎细胞因子IL-1β、IL-6、TNF-α和IFN-β水平显著降低。在本研究中，TLR4/NF-κB途径在DSS诱导的结肠炎中被激活，PMNFs治疗通过降低TLR4和p–NF-µB表达水平显著抑制TLR4/NF-БB途径。另外，为了进一步验证PMNFs的抗炎作用，研究了PMNFs对LPS刺激巨噬细胞的促炎反应的影响。与体内研究一致，PMNFs还通过抑制巨噬细胞中的TLR4/NF-κB途径来预防LPS诱导的炎症。值得一提的是，PMNFs也能保护肠上皮机械屏障，可以通过上调TJ蛋白和MUC-2维持肠屏障，并改善上皮细胞凋亡。这些实验结果皆表明PMNFs纳米酶在抑制结肠炎方面具有独特的作用，为PMNFs作为一种安全且潜在有效的UC纳米药物提供了证据。不过该研究当前只是在临床前动物模型的探索，距离进入临床阶段，还有困难需要克服。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.redox.2022.102441

通讯作者：王显祥教授

（照片提供自：四川农业大学王显祥教授团队）

通讯作者简介：

王显祥，博士，教授，博士生导师，现任四川省光谱专委会理事。主要从事科学研究领域：纳米生物分析；生物基化学品开发与利用；纳米模拟酶；生物分析和光谱分析方法的研究。先后主持或主研国家自然科学基金、四川省教育厅、四川省科技厅、校级科研项目和校企合作项目多项。 科研项目及成果获奖（含专利、新品种）：磁性荧光模拟酶多功能材料的构建及对生物分子的分离检测，国家自然科学基金项目。

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参考文献（上下滑动阅读） 

[1] D.B. Graham, R.J. Xavier, Pathway paradigms revealed from the genetics of

inflammatory bowel disease, Nature 578 (7796) (2020) 527–539.

[2] R. Ungaro, S. Mehandru, P.B. Allen, L. Peyrin-Biroulet, J.-F. Colombel, Ulcerative

colitis, Lancet 389 (10080) (2017) 1756–1770.

[3] Y. Cao, J.Z. Gao, L.H. Zhang, N.B. Qin, B.W. Zhu, X.D. Xia, Jellyfish skin

polysaccharides enhance intestinal barrier function and modulate the gut

microbiota in mice with DSS-induced colitis, Food Funct. 12 (20) (2021)

10121–10135

[4] M. Zhang, D. Merlin, Nanoparticle-based oral drug delivery systems targeting the

colon for treatment of ulcerative colitis, Inflamm. Bowel Dis. 24 (7) (2018)

1401–1415.

[5] M. Chen, Y. Ding, Z. Tong, Efficacy and safety of Sophora flavescens (Kushen)

based traditional Chinese medicine in the treatment of ulcerative colitis: clinical

evidence and potential mechanisms, Front. Pharmacol. 11 (2020), 603476.

本文完