運(yùn)用藻類微生物實(shí)現(xiàn)化療藥物口服給藥

口服給藥一直是廣泛使用的給藥途徑之一，其優(yōu)勢巨大，但也存在一些不足之處，如不適用于胃液穩(wěn)定性差的藥物，以及與腸道內(nèi)壁的相互作用有限、溶解度低的藥物。為了因應(yīng)對以上挑戰(zhàn)，來自加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）的研究者們開發(fā)了一類以藻類微生物——萊茵衣藻為基礎(chǔ)的遞藥系統(tǒng)，成功增強(qiáng)了藥物在小腸的滯留和吸收，提高了化療藥物的口服生物利用度，顯示出的轉(zhuǎn)化潛力。        

01微納米馬達(dá)

微納米馬達(dá) 能在微納米尺度自主游動(dòng)，在生物診療、環(huán)境監(jiān)測、微納制造等領(lǐng)域有極大應(yīng)用前景，能夠?qū)⒅委熕幬镏鲃?dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)到特定位點(diǎn)。在局部遞送藥物和治療胃腸道（GI）疾病方面具有很好的前景。

常見的微納馬達(dá)是基于化學(xué)反應(yīng)的微納馬達(dá)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能推動(dòng)馬達(dá)運(yùn)動(dòng)，無需外界供能，輸送效率高，但一旦與GI流體接觸，滯留時(shí)間減短，與胃腸粘膜相互作用減弱，會(huì)導(dǎo)致藥物生物利用度降低。

而基于微生物的微納馬達(dá)，如細(xì)菌、精子、藻類等顯示出強(qiáng)大的自我推進(jìn)能力， 能夠運(yùn)輸藥物到達(dá)一般治療難以到達(dá)的身體部位 ，例如將天然藻類在小腸中的能夠高效持久運(yùn)動(dòng)這一特性與口服膠囊的保護(hù)作用相結(jié)合，從而使藥物在腸道黏膜內(nèi)的滯留時(shí)間延長，從而大大提高了藥物在GI的遞送效率。很好地實(shí)現(xiàn)了微納馬達(dá)高效、可控的驅(qū)動(dòng)。

本實(shí)驗(yàn)選用萊茵衣藻，它有諸多優(yōu)點(diǎn)，細(xì)胞相容性好，具有良好的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)性，成本效益高、可擴(kuò)展生產(chǎn)，有眾多可用于功能化的表面基團(tuán)和易于跟蹤的自發(fā)熒光。

萊茵衣藻通過以50 Hz的頻率同步拍打兩個(gè)鞭毛游泳，能達(dá)到高達(dá)200μm/s的速度。與化學(xué)動(dòng)力鎂基馬達(dá)相比，萊茵衣藻在腸液中顯示出更強(qiáng)的推進(jìn)力。

02  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析  

一、藻類微馬達(dá)在模擬腸液中的運(yùn)動(dòng)

在模擬腸液（SIF）中，萊茵衣藻納米馬達(dá)通過鞭毛的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出約120μm/s的穩(wěn) 定速度，持續(xù)至少12小時(shí)。而鎂基馬達(dá)在推進(jìn)過程中會(huì)被快速溶解和耗竭，在30min之后停止運(yùn)動(dòng)。

為了證明藻類馬達(dá)具有藥物遞送的潛力，用兩種不同的藥物負(fù)載在萊茵衣藻納米馬達(dá)上：熒光染料和聚合物納米顆粒（NPs），進(jìn)行熒光跟蹤。結(jié)果顯示其中位速度幾乎與未修飾的藻類相同。同樣，NP負(fù)載的納米馬達(dá)在SIF中也表現(xiàn)出相似的運(yùn)動(dòng)模式和速度分布。

二、將藻類馬達(dá)制成保護(hù)膠囊

藻類馬達(dá)有望實(shí)現(xiàn)藥物遞送，但在藥物輸送到胃腸道時(shí)，需要考慮藻類會(huì)被胃內(nèi)酸性環(huán)境降解，為解決這個(gè)問題，使用膠囊對藻類進(jìn)行封裝，膠囊外表面涂有pH響應(yīng)聚合物，以保護(hù)口服藥物免受胃酸的影響。

這些數(shù)據(jù)表明，藻類馬達(dá)可以被有效地封裝和釋放，藻類在模擬胃液（SGF）中沒有釋放，而在SIF中隨著時(shí)間的推移而釋放。在SIF中，從實(shí)驗(yàn)開始到45分鐘，大部分藻類被釋放，45分鐘后釋放明顯，釋放總量達(dá)到9.15×105。在整個(gè)封裝和膠囊釋放過程中，藻類的中值速度保持不變，表明該過程對其運(yùn)動(dòng)能力的影響微小，可以忽略不計(jì)。

三、藻類納米馬達(dá)的胃腸道運(yùn)動(dòng)與分布

模仿腸道的生理?xiàng)l件，評(píng)估37℃下藻類馬達(dá)和鎂基馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)行為，結(jié)果顯示藻類馬達(dá)的速度受到溫度的影響，12小時(shí)后降至40μm/s，有約70%的藻類仍能活動(dòng)。相比之下，傳統(tǒng)的鎂基馬達(dá)很快失去了運(yùn)動(dòng)，15min后僅有8%保持運(yùn)動(dòng)。這些數(shù)據(jù)表明藻類馬達(dá)的性能更佳，即使在不利的條件下也可以長時(shí)間存活。

在體外試驗(yàn)之后，評(píng)估以膠囊形式口服給藥時(shí)藻類馬達(dá)的體內(nèi)生物分布和保留。熒光標(biāo)記后將藻類馬達(dá)和鎂基馬達(dá)嵌入保護(hù)性膠囊中，飼給小鼠。給藥5h后對小鼠實(shí)施安樂死，并對其胃腸道進(jìn)行體外成像，相比鎂基馬達(dá)，藻類馬達(dá)在腸道中分布更加的廣泛，保留率更高。 生物分布差異表明藻類具有持久的運(yùn)動(dòng)特性，可以有效地在胃腸道內(nèi)傳遞藥物有效載荷。

四、藻類馬達(dá)膠囊的體內(nèi)藥物遞送

為了探究藻類馬達(dá)在小腸內(nèi)改善生物分布和滯留的機(jī)制，將不同狀態(tài)的萊茵衣藻用于載藥，包括僅含培養(yǎng)基的膠囊，沒有膠囊的游離藻類和含靜態(tài)藻類的膠囊。

在口服給藥后5小時(shí)，與包封靜態(tài)藻類的膠囊相比，包封藻類馬達(dá)的膠囊可以更廣泛地促進(jìn)腸道中的藥物分布。此外，在給予游離藻類后，腸道中幾乎沒有觀察到任何信號(hào)，這表明藻類被胃酸破壞，使用保護(hù)性膠囊十分必要。

進(jìn)一步探討使用藻類馬達(dá)在胃腸道遞送治療藥物的可行性。Dox（阿霉素）是一種常用的一線化療藥物，被選為模型藥物有效載荷。熒光和掃描電鏡成像都證實(shí)了NP（Dox）與藻類的有效結(jié)合。

藻類NP（Dox）可以抑制B16F10黑色素瘤細(xì)胞系的體外生長。在加載到藻類馬達(dá)上后，NP（Dox）有效載荷依然保持其細(xì)胞毒性活性。將藻類-NP（Dox）和NP（Dox）都裝入保護(hù)膠囊中，以相同的劑量給藥。與NP（Dox）給藥的小鼠的組織勻漿相比，接受藻類-NP（Dox）的小鼠在測試的所有時(shí)間點(diǎn)（3、6和9小時(shí)）都表現(xiàn)出更高的藥物水平。 這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步支持了使用藻類馬達(dá)來增強(qiáng)小腸組織中有效載荷的傳遞和滯留。

未來的研究將側(cè)重于評(píng)估藻類馬達(dá)在藥物遞送中的潛力，以治療合適動(dòng)物模型中的疾病，例如炎癥性腸病和細(xì)菌性胃腸炎。

五、藻類馬達(dá)膠囊的體內(nèi)毒性評(píng)價(jià)

對于微生物載體的應(yīng)用，其體內(nèi)安全性的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。在給藥后24小時(shí)后，對未處理小鼠、單劑量治療小鼠和多劑量治療小鼠進(jìn)行了全面的血液化學(xué)檢查和血細(xì)胞計(jì)數(shù)，結(jié)果如圖A和B。與未經(jīng)治療的對照小鼠相比，接受萊茵衣藻納米馬達(dá)膠囊治療的小鼠中所有血清生化標(biāo)志物和血細(xì)胞（紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板）的數(shù)量保持在正常水平。在長期安全性研究中，多劑量小鼠也得到相同的結(jié)果， 由此觀察到代謝生物標(biāo)志物和血細(xì)胞指標(biāo)的微小變化中可以發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻膠囊的毒性可以忽略不計(jì)。

口服給藥24小時(shí)后，對未處理小鼠和藻類馬達(dá)膠囊給藥的小鼠的胃腸道不同代表性部分進(jìn)行組織學(xué)分析，結(jié)果顯示，腸道結(jié)構(gòu)完整，沒有免疫細(xì)胞浸潤到粘膜或粘膜下層。小鼠的主要器官的H&E染色組織切片上也沒有觀察到明顯的炎癥或病理變化。這些結(jié)果表明，萊茵衣藻納米馬達(dá)膠囊可以安全地用于口服藥物給藥。

03  總結(jié)與討論  

作者開發(fā)了一種藻類膠囊系統(tǒng)，用于有效的腸道靶向和延長組織滯留。與鎂基馬達(dá)相比，藻類馬達(dá)在胃腸液中顯示出持久的推進(jìn)力，使藥物在胃腸道中顯示出更廣泛的分布和更強(qiáng)的滯留，用于口服給藥治療潛在的胃腸疾病和病癥，并顯示出良好的安全性。

目前用于解決關(guān)鍵醫(yī)療保健問題的微生物基微馬達(dá)的開發(fā)仍處于起步階段。盡管各種體外研究已經(jīng)說明了基于細(xì)菌的藥物遞送系統(tǒng)的可開發(fā)性，但考慮到致病性或免疫原性等因素，其在體內(nèi)使用存在重大風(fēng)險(xiǎn)?；诮饘俚奈⑿婉R達(dá)在胃腸道環(huán)境中壽命較短，限制了其藥物載荷在胃腸道的分布和留存；微藻作為一種替代遞送系統(tǒng)，具有非致病性，在生物雜交系統(tǒng)的開發(fā)中具有重大意義。     

藻類馬達(dá)膠囊制劑的主要特性在于其持久的自推進(jìn)，可用于胃腸道疾病治療或診斷等領(lǐng)域的微機(jī)器人生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用?？梢赃M(jìn)一步賦予藻類馬達(dá)更多的功能，以提高其對胃腸道輸送應(yīng)用的實(shí)用性。如，加入成像劑可以直接可視化藻類在腸道內(nèi)工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)。又或通過將磁性微粒共軛到藻類表面，通過外加磁場來精確地引導(dǎo)藻類馬達(dá)到達(dá)目標(biāo)部位。雖然目前的工作重點(diǎn)仍然是證明藻類馬達(dá)膠囊在增強(qiáng)腸道藥物遞送方面的潛力，但未來的工作將需要確認(rèn)該平臺(tái)在臨床相關(guān)疾病模型中的治療優(yōu)勢，例如細(xì)菌胃腸道感染，腸易激性疾病或結(jié)腸癌等等。膠囊的性質(zhì)也可以調(diào)整為更精確地靶向胃腸道的特定區(qū)域。      

總體而言，藻類馬達(dá)膠囊可以應(yīng)用于廣泛的生物醫(yī)學(xué)研究，值得更多的投入和開發(fā)。