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

來源：Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2316227

先進功能材料


摘要內容：

該研究開發了一種新型腸道靶向控釋氫化鎂微膠囊（MgH?@EC@ES），通過多層乳化法將MgH?微粒包封于乙基纖維素（EC）疏水網絡內，外層覆以Eudragit S100（ES）。該微膠囊在胃酸環境中穩定，在腸道pH響應下溶脹并持續水解釋放氫氣（H?）。在結腸炎小鼠模型中，高劑量口服該微膠囊的預防效果與一線藥物5-氨基水楊酸（5-ASA）相當（體重/脾臟重量和疾病活動性改善），且在結腸長度恢復和組織病理學改善方面優于5-ASA。機制上，H?通過保護線粒體電子傳遞鏈（ETC）復合體免受氧化損傷，增強腸細胞能量代謝，促進黏膜修復。


研究目的：

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


研究思路：

材料設計與合成：


采用多步乳化法構建核殼結構微膠囊（MgH?@EC@ES）：


核心：MgH?微粒嵌入疏水性乙基纖維素（EC）網絡，延緩水解。


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

體外性能驗證：


表征微膠囊形貌、結構（SEM、共聚焦顯微鏡）。


測試模擬胃腸液中的穩定性及pH響應釋氫行為（GC、氫電極）。

體內遞送與分布：


熒光/Cy5標記追蹤微膠囊在胃腸道的轉運（活體成像）。


氫電極直接測量結腸局部H?濃度。

療效與機制研究：


DSS誘導結腸炎小鼠模型，評估微膠囊預防效果（體重、DAI、結腸長度、組織病理）。


對比5-ASA和MgSO?@EC@ES（無H?釋放對照）。


通過轉錄組測序、ATP檢測、線粒體復合體蛋白分析等揭示H?保護線粒體ETC、增強能量代謝的機制。


測量數據及其研究意義（標注圖表來源）：

材料表征：


SEM（圖1c, g）和共聚焦成像（圖1f）：確認微膠囊核殼結構及MgH?均勻分散，意義：驗證合成策略成功實現MgH?的包封與保護。


XRD、FTIR：證明包封過程未破壞MgH?晶體結構，成分符合設計。


體外釋氫行為：


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

體內分布與氫氣生物利用度：


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

Unisense氫電極測量結腸H?濃度（圖2d 如下）：


數據：給藥后4小時結腸H?濃度顯著上升，6小時達飽和溶解度（約0.8 mM）。


研究意義：直接證明微膠囊在目標部位（結腸）實現了高濃度、持續性的H?遞送，解決了口服MgH?粉末或富氫水在腸道H?生物利用度低的關鍵問題。該數據是驗證"腸道靶向高效遞氫"核心假設的直接證據。

治療效果數據：


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

結腸長度恢復（圖3d, f）、脾臟重量減小（圖3d, g）、組織病理評分改善（圖3e, h）：微膠囊效果優于5-ASA，且依賴H?釋放（MgSO?@EC@ES無效）。意義：證實微膠囊的優越治療效能。


腸道屏障修復（圖4）：微膠囊上調緊密連接蛋白（ZO-1, Occludin）表達，促進腸上皮細胞增殖（Ki-67）和類器官生長（圖4g-h），意義：揭示H?促進黏膜修復的細胞機制。

分子機制數據：



轉錄組測序（圖5）：富集到線粒體相關基因和氧化磷酸化通路上調。


ATP水平檢測（圖6b如下）：微膠囊顯著恢復結腸線粒體ATP產量。

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


結論：

成功開發具有核殼結構的腸道靶向控釋MgH?微膠囊（MgH?@EC@ES），實現口服后結腸局部高濃度、持續性H?釋放。


高劑量微膠囊在結腸炎預防中綜合療效優于一線藥物5-ASA，尤其在促進黏膜修復（結腸長度恢復、組織病理改善）方面。


機制上首次揭示：H?通過靶向保護線粒體ETC復合體（尤其是復合體II）免受氧化損傷，增強腸細胞能量代謝，從而促進上皮再生和屏障修復。該研究為氫氣療法在IBD中的應用提供了創新劑型和機制見解。


丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀：

使用Unisense微電極在小鼠結腸腔內直接測量的溶解H?濃度數據（圖2d）具有以下關鍵研究意義：

靶向遞送驗證：給藥后前2小時結腸H?濃度極低，證明微膠囊在胃部（酸性環境）幾乎不釋氫；4-6小時濃度驟升并達飽和，明確證實微膠囊僅在腸道環境響應性釋氫，實現精準靶向。


生物利用度量化：6小時結腸H?濃度達0.8 mM（生理飽和濃度），遠高于富氫水的遞送能力（通常<0.8 mM且持續時間短），解決了傳統氫氣療法腸道劑量不足的瓶頸。


藥效相關性：H?濃度峰值時間（4-6小時）與微膠囊腸道滯留峰值（圖2c）及最佳治療效果時段吻合，為"高劑量腸道H?直接驅動療效"提供直接證據。


技術優勢：相較于間接檢測（如血液H?濃度），原位電極測量更準確反映結腸局部生物可利用H?水平，是評價腸道靶向遞送系統的金標準。