炎癥性腸病（IBD）是一種腸道慢性炎癥性疾病，與普通人群相比，IBD患者表現(xiàn)出顯著的精神障礙患病率，可能常伴有焦慮和抑郁等。這些精神障礙可能與腸道和大腦之間的復雜溝通，即微生物群-腸-腦軸有關(guān)，可能會使IBD患者特別容易患上精神疾病。雖然相關(guān)性的作用機制目前并不明確，但是有相關(guān)證據(jù)顯示IBD與抑郁或焦慮之間是存在相互作用的，并且也缺乏有效的治療方法來改善IBD及相關(guān)的精神障礙病癥。因此，研究IBD和精神合并癥的病因并開發(fā)新的治療干預途徑具有重要的意義。

為研究炎癥性腸病（IBD）及其相關(guān)的抑郁和焦慮癥，浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院/浙江大學愛丁堡大學聯(lián)合學院/浙江大學鄂爾多斯鄂托克生物醫(yī)藥聯(lián)合研究中心周民教授，浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院路靜研究員，新加坡國立大學陳小元教授團隊合作開發(fā)了活性微藻口服藥物遞送系統(tǒng)用于胃腸道疾病治療及防護，開展微藻藥物的動物模型藥理和毒理學系統(tǒng)研究，在推動其臨床轉(zhuǎn)化上具有重大意義。該研究于2024年2月在國際學術(shù)期刊《Advanced Materials》（IF：29.4）上發(fā)表，論文標題為“Microalgae-Based Hydrogel for Inflammatory Bowel Disease and Its Associated Anxiety and Depression"。（doi.org/10.1002/adma.202312275） 

文章提出了一種用于螺旋藻（Spirulina platensis，簡稱SP）和大黃酸（rhein）共遞送的口服水凝膠策略（SP@Rh-gel），該水凝膠（SP@Rh-gel）可通過調(diào)節(jié)微生物群-腸-腦軸來治療IBD及其相關(guān)的精神障礙癥（焦慮和抑郁）。

研究團隊自組裝合成大黃酸水凝膠（Rh-gel），并通過添加螺旋藻制備了負載螺旋藻的大黃酸水凝膠（SP@Rh-gel），評價了SP@Rh-gel的物理化學性質(zhì)，如狀態(tài)、溶解度、釋放特性和腸道滯留能力等，并在慢性結(jié)腸炎小鼠模型中，比較了SP@Rh-gel與對照組的治療，包括腸道炎癥、腸道微生物群落、腸道屏障、神經(jīng)炎癥、神經(jīng)可塑性和行為學的評估等。

這項研究證明了微生物群-腸-腦軸在伴有精神疾病的IBD的發(fā)展中的重要作用，并提出了一種安全、簡單、高效的治療方法來干預IBD及其伴發(fā)的精神障礙疾病。

圖1. SP@Rh-gel用于治療炎癥性腸病及伴發(fā)的焦慮和抑郁

文章的創(chuàng)新點是，提出了一種基于微藻的水凝膠策略，用于共遞送螺旋藻和大黃酸，通過調(diào)節(jié)微生物群-腸-腦軸來治療IBD及其相關(guān)的焦慮和抑郁。這種策略不僅能夠有效改善口服藥物的溶解性、釋放特性和腸道滯留，還能夠同時緩解腸道和神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥，維持腸道和神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，從而實現(xiàn)了對IBD和精神障礙的干預。

大黃酸是一種具有抗炎和抗氧化作用的天然化合物，可以用于治療IBD。首先將大黃酸溶解在碳酸氫鈉（NaHCO3）中，通過加熱和超聲處理，得到均一的溶液。然后，將溶液冷卻至室溫，形成Rh-gel。作者使用不同濃度的大黃酸（2, 3, 4, 6, 8 mg/mL），制備了五種Rh-gel，并分別命名為Rh-gel 1, Rh-gel 2, Rh-gel 3, Rh-gel 4和 Rh-gel 5。作者發(fā)現(xiàn)，當大黃酸的濃度達到或超過4 mg/mL時，才能觀察到水凝膠的形成（見下圖2）。

圖2. 不同濃度的大黃酸形成的大黃酸水凝膠圖

研究發(fā)現(xiàn)隨著大黃酸濃度的增加，水凝膠的透明度降低，流變性減小，穩(wěn)定性增強。這意味著高濃度的大黃酸能夠形成更緊密和更堅固的水凝膠，但也可能導致大黃酸的過量沉淀，影響水凝膠的均勻性和透光性。因此，研究團隊選擇了6 mg/mL的大黃酸濃度作為最佳條件，以制備具有良好透明度、流變性和穩(wěn)定性的水凝膠。

SP@Rh-gel的UV-Vis光譜顯示了SP和Rh-gel的特征吸收峰，表明SP在水凝膠中保持了其結(jié)構(gòu)完整性。藥物釋放研究顯示，SP@Rh-gel在模擬腸道環(huán)境中實現(xiàn)了持續(xù)的大黃酸釋放，而在模擬胃環(huán)境中釋放較少，表明了其在腸道中的靶向釋放潛力。結(jié)果表明，SP@Rh-gel作為一種新型口服治療策略，能夠有效改善大黃酸的溶解性、釋放特性和腸道滯留，為治療IBD及其相關(guān)精神障礙提供了一種有前景的方法。

研究SP@Rh-gel在大鼠小腸上皮細胞（IEC-6）中的體外抗炎作用。利用LPS誘導刺激IEC-6細胞炎癥和氧化應激發(fā)生，RT-PCR結(jié)果顯示LPS刺激細胞NF-κB和促炎細胞因子的mRNA表達顯著增加，而SP@Rh-gel能有效抑制NF-κB和促炎細胞因子的上調(diào)，同時LPS刺激導致IEC-6細胞中ROS的產(chǎn)生（使用Yeasen的50101ES活性氧(ROS)檢測試劑盒檢測），實驗組表現(xiàn)出一定程度的ROS生成減少（見下圖3），顯示出SP@Rh-gel通過抑制NF-κB信號途徑發(fā)揮抗炎作用。

圖3. ROS熒光圖（使用Yeasen的50101ES活性氧(ROS)檢測試劑盒）

慢性結(jié)腸炎（IBD）小鼠模型建立：利用葡聚糖硫酸鈉（DSS）（使用的Yeasen的60316ES結(jié)腸炎建模用葡聚糖硫酸鈉鹽MW:36000~50000）誘導潰瘍性結(jié)腸炎（IBD），給予小鼠三個周期的治療，每個周期包含1周的DSS給藥和2周的喂水，在第二和第三個喂水期間，小鼠接受PBS、Rh溶膠、Rh凝膠和SP@Rh-gel共14次給藥，每隔一天給藥一次。對照組在給藥期間接受相同劑量的PBS，并在整個期間不補充DSS飲用（見下圖4）。

評估不同組小鼠的行為學變化。結(jié)果表明，與DSS組相比，SP@Rh-gel治療組的小鼠在曠場測試（OFT）中表現(xiàn)出更多的中央?yún)^(qū)域停留時間，在高架十字迷宮（EPM）測試中在開放臂的停留時間和穿越頻率顯著增加，這反映了焦慮行為的減輕。在強迫游泳測試（FST）和尾部懸掛測試（TST）中，SP@Rh-gel組的小鼠的不動時間顯著減少，這表明抑郁行為得到了緩解。DSS誘導的慢性結(jié)腸炎會導致精神癥狀（如焦慮和抑郁），而SP@Rh-gel能有效緩解與慢性結(jié)腸炎相關(guān)的焦慮和抑郁樣行為。

圖4. 慢性結(jié)腸炎小鼠模型建立

圖5. SP@Rh-gel預防DSS誘導的焦慮和抑郁樣行為

評估SP@Rh-gel的潛在抗炎和神經(jīng)保護作用：根據(jù)行為實驗結(jié)果，推測DSS誘導的慢性結(jié)腸炎可能通過小膠質(zhì)細胞介導的炎癥途徑引發(fā)神經(jīng)毒性，從而導致海馬炎癥和海馬神經(jīng)可塑性受損。結(jié)果顯示，DSS的給藥導致小鼠海馬齒狀回（DG）區(qū)域新形成的BrdU+/NeuN+標記的神經(jīng)元和未成熟的DCX+標記的神經(jīng)元的密度顯著降低。DSS組海馬DG和CA3區(qū)的Nissl陽性活神經(jīng)元減少，用SP@Rh-gel成功地扭轉(zhuǎn)了這些減少，小膠質(zhì)細胞活化受到潛在抑制。

通過使用RT-qPCR評估M1和M2小膠質(zhì)細胞中小膠質(zhì)細胞標記物的mRNA表達水平來評估SP@Rh-gel對海馬炎癥的影響。結(jié)果表明，SP@Rh-gel治療組 ，M1小膠質(zhì)細胞標記物：TNF-α、誘導型NOS（iNOS）和環(huán)氧合酶-2（COX-2）的mRNA表達顯著降低；M2小膠質(zhì)細胞的常見標志物：精氨酸-1（Arg-1）和CD28的mRNA表達顯著增加。SP@Rh-gel治療可以調(diào)節(jié)海馬體的炎癥反應。

SP@Rh-gel在DSS誘導的慢性結(jié)腸炎中的抗炎作用：與DSS組相比，SP@Rh-gel治療組可以減緩體重減輕，緩解結(jié)腸炎的嚴重癥狀（如直腸出血和腹瀉）及其他相關(guān)癥狀，保持腸壁的完整性。

SP@Rh-gel治療對于DSS誘導的結(jié)腸炎中腸上皮緊密連接蛋白的表達具有顯著影響。

•  Claudin-1、Occludin-1 和 ZO-1：在DSS誘導的結(jié)腸炎組中表達水平顯著降低，與對照組相比，表明腸道屏障功能嚴重受損。

•  Zonulin：在DSS組的血漿中觀察到上調(diào)，Zonulin是調(diào)節(jié)內(nèi)皮和上皮細胞緊密連接的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，能增加腸道的通透性。

•  SP@Rh-gel治療：顯著恢復了緊密連接蛋白的缺失，并降低了血漿中Zonulin的水平，表明其有潛力恢復腸道屏障的完整性。

SP@Rh-gel治療對于調(diào)節(jié)腸道微生物群落的組成和緩解腸道微生態(tài)失調(diào)具有顯著作用。通過16S rDNA基因測序、Alpha多樣性指數(shù)、Beta多樣性PCoA分析、群落條形圖分析、群落熱圖分析、聚類分析、屬級微生物群落分析，結(jié)果顯示DSS組與對照組和SP@Rh-gel組之間的微生物組成有顯著差異。 

SP@Rh-gel能夠通過抑制NF-κB信號通路的激活來抑制周圍和中樞的炎癥反應。SP@Rh-gel顯著抑制了LPS誘導的NF-κB在RAW 264.7細胞和BV-2細胞中的轉(zhuǎn)移，顯著下調(diào)了RAW 264.7細胞和BV-2細胞中的促炎細胞因子，如TNF-α、IL-6和IL-1β，SP@Rh-gel抑制NF-κB信號通路的激活，從而抑制炎癥反應。

LPS刺激的BV-2小膠質(zhì)細胞和PC-12細胞的共培養(yǎng)系統(tǒng)是研究SP@Rh-gel治療的神經(jīng)保護作用的有效體外研究模型，結(jié)果顯示SP@Rh-gel可以促進神經(jīng)元增殖并增強神經(jīng)突生長，抵消LPS誘導的神經(jīng)炎癥損傷并支持神經(jīng)再生。

雄性C57BL/6J小鼠每隔一天通過胃管注射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），持續(xù)一個月。治療后，收集小鼠的全血和血清樣本進行血常規(guī)和生化分析，同時切除主要器官（大腦、心臟、肝臟、脾臟、肺、腎、胃和腸）進行組織病理學評估。

結(jié)果顯示，SP@Rh-gel在體外具有良好的生物相容性和口服安全性，在口服給藥后不會對小鼠的主要器官造成顯著的組織病理學損傷，顯示出其潛在的臨床應用安全性。

文章探討了SP@Rh-gel水凝膠在治療DSS誘導的IBD小鼠模型中的胃腸功能障礙和合并的相關(guān)精神癥狀（抑郁和焦慮）中的有效性和機制。研究團隊創(chuàng)造性的合成了SP@Rh-gel水凝膠，SP@Rh-gel口服給藥能夠調(diào)節(jié)炎癥途徑，改變腸道微生物的多樣性、組成和功能，從而通過腸道-微生物-大腦軸減輕DSS誘導的慢性結(jié)腸炎小鼠的結(jié)腸炎癥狀以及類似焦慮和抑郁的行為。SP@Rh-gel治療能夠減輕周圍和中樞的炎癥反應，并通過維持腸道屏障完整性、抑制NF-κB-caspase-1信號通路以及調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細胞極化從M1向M2轉(zhuǎn)變，促進神經(jīng)發(fā)生。此外，SP@Rh-gel治療還能夠通過調(diào)節(jié)腸道微生物的多樣性和組成以及與炎癥、焦慮和抑郁相關(guān)的腸道微生物代謝物，恢復DSS誘導的腸道微生物失衡。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了腸道-微生物群-大腦相互作用在IBD患者焦慮和抑郁發(fā)生中的重要作用，并提出了一種有前景的治療方法干預IBD及其相關(guān)的精神并發(fā)癥，為臨床應用提供了有價值的方案，并可能對胃腸道疾病和相關(guān)精神癥狀的治療產(chǎn)生重要影響。

在該研究中，研究團隊使用了翌圣生物Dextran Sulfate Sodium Salt(DSS) 結(jié)腸炎建模用葡聚糖硫酸鈉鹽MW:36000~50000（60316ES）進行小鼠結(jié)腸炎造模：

使用Reactive Oxygen Species Assay Kit 活性氧(ROS)檢測試劑盒（DCFH-DA）（50101ES）進行ROS活性氧檢測：

DSS結(jié)腸炎建模用葡聚糖硫酸鈉鹽MW:36000~50000發(fā)表文獻（不全統(tǒng)計）：

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ROS活性氧檢測試劑盒發(fā)表文獻（不全統(tǒng)計）：