仿生羧甲基β-葡聚糖-ZIF-8纳米载体通过激活dectin-1介导的线粒体自噬作用,提升了尿石素A的结构稳定性、胃肠道释放效果及其抗氧化活性

时间:2026年1月1日
来源:Food Research International

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urolithin A(UA)因溶解性差、稳定性低和生物利用度低难以临床应用,本研究开发UA@ZIF-8@CMG纳米平台,通过ZIF-8核心高效负载UA并实现pH响应释放,CMG壳层增强稳定性并靶向巨噬细胞,减少肠道细胞非特异性摄取,显著提升UA的抗氧化能力和抗炎疗效。

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胡方城|刘星源|陈春萍|刘玉山|徐晓通|韩琳|何彩燕|王敏
西北农林科技大学食品科学与工程学院,中国陕西省杨凌市712100

摘要

尿石素A(UA)是一种从鞣花单宁衍生的代谢物,具有抗氧化和诱导线粒体自噬的特性,但其临床应用受到溶解度低、稳定性差以及口服生物利用度低的限制。为了解决这些问题,我们开发了一种核壳纳米平台(UA@ZIF-8@CMG),该平台由ZIF-8核心用于高效包封,羧甲基β-葡聚糖(CMG)壳层用于提高稳定性和潜在的靶向性。优化后的配方表现出较高的药物载药量(12.65%),显著改善了UA的稳定性,并在模拟胃环境条件下实现了pH响应性释放,泄漏量最小(22%),随后在肠道环境中持续释放。体外研究表明,该纳米平台具有较低的细胞毒性,并通过两种机制实现细胞摄取:巨噬细胞中的Dectin-1介导的内吞作用以及肠道细胞中的非特异性摄取。与游离UA相比,这种摄取方式能够更好地保护线粒体膜电位并更有效地清除活性氧(ROS)。该系统的关键创新在于ZIF-8@CMG的协同作用,它结合了强大的保护作用、可控的释放机制和针对不同细胞类型的摄取能力,使其区别于以往报道的递送平台。总体而言,这项工作提出了一种可转化的策略,以增强UA的生物利用度和治疗效果,展示了其在营养保健品和药物应用中的潜力。

引言

线粒体是重要的生物能量器官,其功能完整性在维持细胞氧化还原稳态中起着关键作用(Huai等人,2024年)。当线粒体功能受损时,会产生过多的活性氧(ROS),这与慢性疾病的发病机制密切相关,包括炎症性肠病(Gong等人,2025年;Mallet等人,2025年;J. Xu等人,2022年)。鉴于这种病理联系,旨在保护线粒体功能同时增强抗氧化能力的治疗策略受到了越来越多的关注(D'Amico等人,2021年)。在这种情况下,尿石素A(UA)作为一种由肠道微生物群产生的天然代谢物(M. Zhang等人,2023年),因其能够诱导线粒体自噬并激活Nrf2介导的抗氧化信号通路而成为有前景的治疗候选物(Gao等人,2022年;Komatsu, Kishi, Yagasaki, & Ohhira, 2018年)。尽管具有这些优势,但由于尿石素A的水溶性差、化学稳定性低和口服生物利用度有限,其临床和营养应用仍面临挑战(García-Villalba等人,2022年;Tow, Chee, Sundralingam, & Palanisamy, 2022年;Zou等人,2019年)。
为了解决这些挑战,人们广泛探索了脂质体和聚合物纳米颗粒等纳米递送系统(Al-Fatlawi等人,2024年;Yuting Su等人,2025年)。尽管这些传统载体被广泛使用,但它们通常存在固有的局限性,如载药量低、在胃肠道中的稳定性差、靶向效率有限以及可能引发不良免疫反应(Y. Hu等人,2023年;Hu等人,2024年)。因此,人们对替代递送平台产生了越来越多的兴趣。近年来,金属有机框架(MOFs)作为封装和递送食品活性成分的材料类,显示出巨大的潜力(L. Jiang等人,2022年;Zhao等人,2025年)。由于其独特的结构特性,包括高表面积、可调的孔结构和良好的生物相容性,MOFs为保护多酚、维生素和抗氧化剂等不稳定化合物提供了先进的平台(Chen, Chen, Zhao等人,2024a;Moghadam, Karimi, & Namazi, 2024年;Zhao等人,2024年)。
在各种用于改善生物活性化合物递送的纳米载体中,沸石咪唑框架-8(ZIF-8)因其独特的物理化学性质而受到了广泛关注(Zhang等人,2024年;Q. Zhou等人,2025年)。基于这些特性,选择ZIF-8作为核心载体,因为它具有一系列直接解决UA内在局限性的优势。具体来说,其疏水性微孔结构对疏水性多酚具有很强的亲和力,从而实现了比许多传统聚合物载体更高的药物载药量和包封效率(Liang等人,2025年)。除了载药能力外,ZIF-8还表现出智能的pH响应行为,在中性至弱碱性条件下保持稳定,但在炎症的病理酸性条件下迅速降解,从而实现原位药物释放(Jimo等人,2025年;Zheng, Liu, Guan, & Xie, 2015年)。此外,ZIF-8通过“质子海绵效应”促进纳米颗粒进入细胞内,帮助其从溶酶体中释放并有效进入细胞质,最终将其递送到线粒体靶点(Chen, Chen, Zhao等人,2024b;Wu等人,2024年)。
尽管ZIF-8表现出良好的性能,但在复杂的生物环境中其胶体稳定性和靶向效率仍然不足。为了克服这些限制,人们广泛采用多糖(如壳聚糖和透明质酸)对其进行表面修饰,以提高其功能性能(Obaid等人,2024年;H. Zhang等人,2025年;Wu等人,2025年)。然而,大多数报道的MOF-多糖复合材料主要关注提高结构稳定性或实现被动靶向,限制了其功能多样性。在这方面,本研究中引入的羧甲基β-葡聚糖(CMG)提供了一种独特的功能改进。具体来说,CMG不仅作为物理涂层,还通过其羧基与ZIF-8锌离子的配位作用建立了更稳定的核壳结构(Hergesell等人,2022年;Xu等人,2025年;Z. Zhou等人,2023年)。更重要的是,CMG可作为巨噬细胞上Dectin-1受体的天然配体,从而赋予纳米系统主动靶向巨噬细胞的能力(Chen等人,2023a)。这一靶向特性尤为重要,因为巨噬细胞在炎症和免疫调节中起着核心作用,这与UA预期发挥治疗效果的病理环境高度契合。尽管之前已有基于β-葡聚糖的载体被用于靶向药物递送(Chen等人,2023b;Guo等人,2024年),但将CMG与pH响应性ZIF-8结合,构建“主动靶向-程序化释放”递送平台,是食品活性成分递送领域的一项显著创新。
基于这些结构和生物学优势,我们假设设计一种核壳纳米制剂(UA@ZIF-8@CMG)将有效克服UA的生物利用度和稳定性限制,从而提高其治疗效果。具体来说,我们提出:(i)ZIF-8核心将促进高药物载药量和pH响应性释放,而CMG壳层将提供胶体稳定性并通过Dectin-1受体实现巨噬细胞靶向递送;(ii)载体与 cargo 之间的协同作用不仅将保护UA,还将显著增强其减轻线粒体氧化应激和恢复肠道屏障完整性的能力,最终超越未经修饰的制剂或游离UA的效果。此外,我们认为这种“保护-靶向-增强”策略提供了一种比传统纳米载体更有效的替代方案,后者通常缺乏主动靶向能力,仅作为被动递送工具。我们预计该平台不仅能够克服UA的局限性,还能为生物活性化合物的靶向递送提供多功能策略。

材料

六水合硝酸锌(Zn(NO₃)₂·6H₂O,99%),氯乙酸(CAA,99%),2-甲基咪唑(2-MIM,98%),溴化钾(KBr,99.9%)和β-葡聚糖(分子量:50–100 kDa,纯度≥90%)均购自上海阿拉丁生化科技有限公司(中国上海)。尿石素A(UA,纯度≥98%)来自Dousf生物科技有限公司。聚维酮K-30(PVP K-30)和香豆素-6(C6,98%)由Macklin生化科技有限公司(中国上海)提供。

纳米颗粒的制备和结构表征

为了验证UA@ZIF-8及其CMG修饰产物(UA@ZIF-8@CMG)的成功合成,我们对其形态、大小、表面化学性质和晶体结构进行了表征。TEM图像显示,合成的UA@ZIF-8纳米颗粒呈现出有序的菱形十二面体形态,分布均匀,平均直径小于200 nm(图1A)。经过CMG修饰后,颗粒形态变为球形,平均直径增加

讨论

线粒体功能障碍,表现为线粒体活性氧(mtROS)的过度积累,是多种慢性疾病进展的关键因素(Chong等人,2025年;Jin等人,2025年;X. Li等人,2025年)。尿石素A是一种天然存在的生物活性化合物,通过诱导线粒体自噬和激活抗氧化通路显示出有希望的治疗潜力(Gao等人,2022年;Qiu等人,2022年)。然而,

结论

总之,本研究开发了一种核壳纳米递送系统UA@ZIF-8@CMG,有效解决了UA的主要药学限制,如稳定性差、溶解度低和口服生物利用度低等问题。该系统的创新点总结如下:首先,ZIF-8核心和CMG壳层协同作用,保护UA,提高其在胃肠道中的物理稳定性并实现pH响应性释放。其次,我们假设

CRediT作者贡献声明

胡方城:撰写初稿、可视化、软件应用、方法设计、数据整理。刘星源:验证、软件应用、实验研究。陈春萍:方法设计、实验研究。刘玉山:数据分析。徐晓通:数据分析。韩琳:监督、资源协调。何彩燕:撰写、审稿与编辑、监督、资源协调。王敏:撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、资金争取。
未引用的参考文献
Chen等人,2024b
Li等人,2023
Zhang等人,2024

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了“石榴综合健康产业绿色发展:关键技术集成应用与产业化示范”项目(项目编号2024SFQZX001)的支持。

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