Intestine-Targeted Controlled Hydrogen-Releasing MgH?Microcapsules for Improving the Mitochondrial Metabolism of Inflammatory Bowel Disease

腸道靶向控氫釋放MgH2微膠囊改善炎癥性腸病線粒體代謝

來源：Advanced Functional Materials 2024，34,2316227

 

摘要核心內容

該論文開發了一種腸道靶向控釋氫氣的微膠囊（MgH2 EC ES），通過多層乳化法將MgH2顆粒封裝于乙基纖維素（EC）疏水網絡外層包覆腸溶材料Eudragit S100（ES）。該微膠囊在胃酸（pH 1.2）中穩定，在腸道（pH 7.0）中通過ES溶脹和EC的緩釋作用實現持續產氫。在小鼠結腸炎模型中，高劑量（800 mg/kg）的MgH2 EC ES微膠囊治療效果優于一線藥物5-ASA，顯著恢復結腸長度、黏膜屏障和線粒體能量代謝。機制研究表明，H?通過保護線粒體電子傳遞鏈復合物免受氧化損傷，增強腸道細胞的能量代謝以支持黏膜修復。

研究目的

核心問題：解決現有氫療法（如富氫水）的氫氣溶解度低、胃酸快速分解導致腸道遞送效率低的問題。

創新點：開發一種pH響應型腸道靶向遞送系統，實現氫氣在腸道的可控緩釋，并闡明H?通過保護線粒體功能改善結腸炎的機制。

研究思路

材料設計：

核心結構：MgH2作為高容量固態儲氫材料（產氫量923 mL/g），EC疏水網絡延緩水解，ES腸溶層防止胃酸分解。

合成方法：通過油-醇-油多步乳化法構建核殼結構（圖1a）。

 

性能驗證：

體外實驗：驗證微膠囊的pH響應釋放行為（圖1h-i，圖S6）。

體內遞送：通過熒光成像（圖2a-c）和ICP檢測（圖S8）驗證腸道靶向性。

治療效果：在DSS誘導的小鼠結腸炎模型中評估體重、DAI評分、結腸長度、組織病理學等指標（圖3）。

機制研究：通過RNA測序、線粒體ATP檢測、Western blot等手段揭示H?對線粒體復合物的保護作用（圖5-6）。

 

關鍵數據及其研究意義

結構與釋放性能：

圖1c-g：SEM和共聚焦圖像顯示微膠囊的核殼結構，MgH2顆粒被EC/ES包裹。

圖1i：體外模擬腸道液中，MgH2 EC ES在6小時內釋放80%的H?，而裸MgH2在胃酸中5分鐘完全分解。

意義：驗證了微膠囊的pH響應性和緩釋能力。

體內遞送與H?濃度：

圖2d：Unisense電極檢測顯示，口服微膠囊后6小時結腸H?濃度達到飽和（約1.6 ppm），顯著高于胃部。

 

圖S8：ICP檢測表明微膠囊在腸道滯留6小時時達峰值（54.4%），24小時基本排出。

意義：證實了微膠囊的腸道靶向性和H?的持續釋放。

治療效果：

 

圖3b-h：高劑量微膠囊組（MgH2_HD）的結腸長度恢復（89.7%vs模型組）、DAI評分降低（與5-ASA相當），且組織病理學評分顯著優于5-ASA。

 

圖4a-e：免疫熒光顯示微膠囊組ZO-1和Occludin蛋白水平恢復，Ki-67陽性細胞增多，提示黏膜屏障修復和干細胞增殖。

意義：H?通過促進黏膜再生和抑制炎癥改善結腸炎。

線粒體機制：

 

圖6b：高劑量微膠囊組結腸線粒體ATP水平高于正常組（1.5倍）。

圖6f-g：Western blot顯示微膠囊組線粒體復合物（II、IV、V）表達顯著恢復。

意義：H?保護線粒體電子傳遞鏈復合物免受氧化損傷，增強能量代謝。

結論

MgH2 EC ES微膠囊成功實現了腸道靶向控釋H?，產氫效率高且生物安全性好。

在小鼠結腸炎模型中，高劑量微膠囊通過恢復黏膜屏障、促進干細胞增殖和抑制炎癥，療效優于5-ASA。

機制創新：首次揭示H?通過保護線粒體復合物（如SDHA）減少電子泄漏，維持ATP合成，為氫療法的代謝調控機制提供了新視角。

Unisense電極數據的詳細解讀

實驗設計：

圖1i：體外模擬胃液（pH 1.2）和腸液（pH 7.0）中，使用Unisense氫電極實時監測H?濃度變化。

圖2d：通過結腸插管術，在口服微膠囊后不同時間點（0-6小時）直接測量結腸內溶解的H?濃度。

數據意義：

高靈敏度：Unisense電極可檢測低至0.01 ppm的H?，精準反映微膠囊在腸道的釋放動力學。

驗證靶向性：圖2d顯示H?在胃部幾乎無釋放（<0.2 ppm），而在結腸6小時達飽和（1.6 ppm），直接證明微膠囊的pH響應性。

支持治療機制：結腸H?濃度與ATP水平（圖6b）和線粒體復合物恢復（圖6f）正相關，表明H?的局部高濃度是療效的關鍵。

技術優勢：相比氣相色譜（GC），Unisense電極無需密封取樣，可實時監測活體腸道H?動態，為體內遞送研究提供了可靠工具。

以上總結覆蓋了論文的核心內容、方法創新、數據支撐及臨床轉化意義，尤其突出了Unisense電極在驗證遞送系統和療效機制中的關鍵作用。