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IF16.6 Nature Communications│铁死亡靶向铈固定埃洛石作为放射性结肠炎治疗的口服药物输送系统

前言:

2023822日,济南大学化学与材料科学学院材料科学与工程系、济南大学药学院中国教育部中药现代化与创新药物发展国际合作实验室等多个实验室联合在Nature Communications发表题为A ferroptosis-targeting ceria anchored halloysite as orally drug delivery system for radiation colitis therapy研究论文。研究人员发现,口服皮克林乳剂用埃洛石粘土纳米管稳定,通过抑制铁死亡来减轻放射性结肠炎。


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背景介绍:

肠道作为辐射敏感器官,在盆腔放疗过程中易受到损伤,导致放射性肠炎伴腹泻、便血。炎症性肠病的患病率居高,严重危害患者的生命。其机制是辐射诱导的水解产生活性氧(ROS),发了多种与细胞死亡相关的途径。肠道细胞死亡破坏黏膜屏障并引发进一步的炎症和出血。尽管辐射损伤的机制众所周知,但临床上的辐射防护措施往往是无效的,新的治疗方式值得研究。5-雄烯二醇等凋亡抑制剂和两性霉素等自由基捕获剂的疗效并不理想。在放射性结肠炎等特定疾病中,单独使用辐射防护剂也无法缓解患者的炎症、腹泻和肠道出血等并发症。因此,阐明放射性结肠炎的进展机制并设计药物递送策略以实现精确治疗并同时缓解症状至关重要。


图文解析:


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图1


要点1:

铁死亡被证明在放射性肠炎中发挥关键作用,清除ROS和减少铁应激有望缓解放射性肠炎。



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图2


要点2:

a.氧化应激下酰基辅酶A合成酶长链家族成员4(ACSL4)的过表达介导了质膜中不饱和脂肪酸(PUFA)磷脂(PUFA-PLs)的铁依赖性过氧化。这一系列事件启动了细胞铁死亡途径。肠道出血在宏噬菌体的参与下加剧了炎症微环境的铁过载。

b.免疫组织化学分析发现铁死亡的终产物4-羟基壬烯醛(4-HNE)和ACSL4显著上调。

c-d.随着辐照剂量的增加,ACSL4、铁蛋白重链(FTH)、铁蛋白轻链(FTL)和4-HNE的表达显著上调。

e.铁死亡在辐射诱导的肠道损伤中可能具有潜在的关键作用,并与辐射剂量呈正相关。

f.铁死亡在严重破坏的部位强烈发生,表明免疫高度参与。

g.辐照诱导的ROS是致命的,它带来了细胞存活率的降低和LDH释放量的增加。

h.观察到LDH的释放强于细胞活力的下降,这表明细胞膜的破坏是辐射诱导死亡的先决条件。

i-k.随着辐射剂量的增加,C11-BODIPY的氧化荧光增强。



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图3


要点3:

a.通过添加VE油相乳化制备了CeO2@HNTs@DFP稳定的皮克林乳液,乳液可稳定保存1周以上

b.通过透射电子显微镜对CeO2@HNTs的形貌进行了分析。与原始CeO2相比,CeO2@HNTs中CeO2团聚较少,CeO2纳米颗粒均匀分散在HNTs表面。CeO2@HNTs样品中CeO2的尺寸从4.7nm和2.8nm减小。可能的原因是Si-O-Si和金属离子界面的存在显著降低了形核势垒,CeO2在界面处发生了异相形核。

c.元素分布图显示Ce原子很好地分布在HNTs上。

d.X射线衍射(XRD)图谱显示,所制备的CeO2具有明显的特征衍射峰,CeO2@HNTs中CeO2的峰由于粒径的减小而展宽。

e.X射线光电子能谱(XPS)显示,HNTs的加入增加了Ce3+的百分比。f.通过热重分析(TGA)测定,CeO2的含量为28.6%。

g-h.CeO2@HNTs显示的较高的类SOD和CAT活性。i.EPR光谱结果表明,HNTs合成的各组CeO2DMPO-OH峰的强度明显较低。



8.30-图文解析4.png图4


要点4:

a.黏膜缺陷-炎症共定位和局部电荷改变的病理生理学特征允许带负电荷的纳米颗粒通过静电相互作用靶向肠道炎症

b-d.CHDV乳液具有极小的粒径(平均9.8μm),这使其容易受到静电吸引而被细胞捕获。

e.CHDV在PH3至PH8的电位由-17.1±0.1降至-27.3±0.1mV。由于CeO2带较强的正电荷,HNTs插层在油水界面处,使CHDV带负电荷。观察到共表达角蛋白和波形蛋白的肿瘤细胞比例下降。

f.转铁蛋白包被的平板比粘蛋白包被的平板保留了7倍于CHDV的荧光信号。

g.结肠炎小鼠结肠中的荧光滞留量显著高于健康对照。

h.在体内试验中,小鼠经口给予CHDV,10h后,对整个肠道进行荧光成像和定量分析,发现CHDV在结肠炎小鼠结肠中的粘附和滞留显著增加。i.CHDV在黏膜缺损处富集,在黏液凝胶完好的部位少见

j.结肠炎小鼠的结肠组织由于损伤而表现出隐窝边界模糊,并且在受损(炎症)区域有CHDV荧光的显著富集。


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图5


要点5:

a.当暴露于RSL3(0.8μM)时,细胞活力随着CHDV浓度的增加而回升,表明CHDV抑制肠上皮细胞的铁死亡

b.CHDV在梯度RSL3诱导的铁死亡的不同水平下也表现出显著的保护作用。

c.CHDV显著降低RSL3和辐射诱导的脂质过氧化。

d.施加CHDV后,细胞的荧光图像也表现出相同的趋势;还原态的C11-BODIPY(红色)增加,而氧化态的C11-BODIPY(绿色)相应减少。

e.细胞钙黄绿素-AM/碘化丙啶(PI)染色显示,CHDV组可进入PI的细胞(细胞膜受损的细胞)数量显著减少。

f.照射严重阻碍了肠细胞的增殖和生长,而随着CHDV浓度的增加,细胞逐渐得到保护。



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图6


要点6:

a.根据CHDV在小鼠体内的生物分布,在灌胃给药8h后,对受照小鼠腹部进行15Gy的X射线照射,照射面积为1cm2。然后继续每天给药7天,并在指定的时间点进行便血和组织病理学检查。

b.与对照组相比,照射组的体重急剧下降。与照射组相比,CHDV处理略微增加了体重,而HNTs,CeO2,DFP或VE处理显示出轻微的降低或无显著变化。

c.单独使用CeO2、DFP或VE处理的小鼠存活率分别为10%、20%和20%,表明单独使用CeO2、DFP或VE不能充分保护受照小鼠免受辐射。

d.放射性结肠炎模型小鼠均出现结肠炎症状,包括腹泻(湿尾)和便血(大便潜血),主要是由于快速增殖的肠上皮细胞死亡和固有层中的急性炎症反应。

e.采用疾病活动指数(disease activity index,DAI)对各组症状进行评分

f-g.腹泻和便血症状在含HNTs组中得到一定程度的缓解,在CeO2、DFP和VE组中得到部分缓解,CHDV组显著抑制腹泻和便血。

h.照射组的结肠诱导了绒毛结构的严重破坏。

i-k.照射可诱导强烈的炎症反应,伴随着结肠组织中髓过氧化物酶(MPO)活性的升高和促炎细胞因子如趋化因子配体1(Cxcl1)、肿瘤坏死因子(Tnfα)和白细胞介素-6(Il6)的表达。相反,CHDV治疗明显减弱了促炎细胞因子的表达并减少MPO活性。



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图7


要点7:

a.与对照组相比,照射组的照射结肠组织显示出明显较高的MDA水平,而CHDV治疗显著逆转了照射结肠组织中的MDA水平。

b.在照射的结肠组织中发现铁沉积增加,可能是由于出血。在CHDV组中观察到铁沉积减少,提示出血缓解,这归因于HNTs的止血活性CHDV。

c.照射后结肠组织中总铁含量显著增加,而CHDV处理有效地逆转了这一现象。

d-g.铁死亡的诱导与铁死亡标志基因,如Ptgs2、Acsl4、Ftl和Fth1的表达增加有关。X射线照射诱导了结肠的增加Ptgs2基因的表达被CHDV阻断。在照射后的结肠组织中,CHDV处理后ACSL4的基因和蛋白水平均显著降低,表明PUFA-PL的生物合成不活跃。脂质氢过氧化物酶GPX4是一种重要的铁死亡调节因子,可以保护细胞免受膜脂质过氧化,维持氧化还原稳态。GPX4在辐射暴露后显著降低,这表明辐射诱导了结肠中膜和脂蛋白中磷脂氢过氧化物的激增。经CHDV处理后,GPX4水平显著恢复,表明CHDV的ROS清除和抗氧化功能有效降低了受照结肠的脂质过氧化水平。

h.HDV处理显著降低了受照结肠组织中ACSL4和4-HNE阳性细胞数。


本文小结:

综上所述,研究通过探索脂质过氧化和铁代谢,从铁死亡的角度推进了放射性结肠炎的发病机制。这一发现导致了一种用纳米粘土HNT稳定的口服Pickering乳剂的开发,通过抑制铁死亡来缓解放射性结肠炎。基于铁死亡的协同策略在体外和体内均有效,为放射治疗保护提供了开创性的见解。铁死亡和脂质过氧化与多种疾病有关,研究提出的策略为通过合理调节氧化应激进行安全有效的治疗提供了前瞻性见解。


参考文献:

Feng, Y., Luo, X., Li, Z. et al. A ferroptosis-targeting ceria anchored halloysite as orally drug delivery system for radiation colitis therapy. Nat Commun 14, 5083 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40794-w



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