Intestine-Targeted Controlled Hydrogen-Releasing MgH2 Microcapsules for Improving the Mitochondrial Metabolism of Inflammatory Bowel Disease  

用于改善炎症性肠病线粒体代谢的肠道靶向控释氢化镁微胶囊  

来源：Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2316227

先进功能材料  

 

摘要内容：  

该研究开发了一种新型肠道靶向控释氢化镁微胶囊（MgH₂@EC@ES），通过多层乳化法将MgH₂微粒包封于乙基纤维素（EC）疏水网络内，外层覆以Eudragit S100（ES）。该微胶囊在胃酸环境中稳定，在肠道pH响应下溶胀并持续水解释放氢气（H₂）。在结肠炎小鼠模型中，高剂量口服该微胶囊的预防效果与一线药物5-氨基水杨酸（5-ASA）相当（体重/脾脏重量和疾病活动性改善），且在结肠长度恢复和组织病理学改善方面优于5-ASA。机制上，H₂通过保护线粒体电子传递链（ETC）复合体免受氧化损伤，增强肠细胞能量代谢，促进黏膜修复。  

 

研究目的：  

解决炎症性肠病（IBD）治疗中高效低毒药物的需求，克服传统氢气疗法（如富氢水）载氢量低、胃酸分解导致肠道氢气生物利用度不足的问题，实现肠道靶向、高剂量、持续性的氢气递送。  

 

研究思路：  

材料设计与合成：  

 

采用多步乳化法构建核壳结构微胶囊（MgH₂@EC@ES）：  

 

核心：MgH₂微粒嵌入疏水性乙基纤维素（EC）网络，延缓水解。  

 

外壳：pH响应型Eudragit S100（ES），胃部（pH 1.2）不溶，肠道（pH 7.0）溶胀允许水分渗透。  

体外性能验证：  

 

表征微胶囊形貌、结构（SEM、共聚焦显微镜）。  

 

测试模拟胃肠液中的稳定性及pH响应释氢行为（GC、氢电极）。  

体内递送与分布：  

 

荧光/Cy5标记追踪微胶囊在胃肠道的转运（活体成像）。  

 

氢电极直接测量结肠局部H₂浓度。  

疗效与机制研究：  

 

DSS诱导结肠炎小鼠模型，评估微胶囊预防效果（体重、DAI、结肠长度、组织病理）。  

 

对比5-ASA和MgSO₄@EC@ES（无H₂释放对照）。  

 

通过转录组测序、ATP检测、线粒体复合体蛋白分析等揭示H₂保护线粒体ETC、增强能量代谢的机制。  

 

测量数据及其研究意义（标注图表来源）：  

材料表征：  

 

SEM（图1c, g）和共聚焦成像（图1f）：确认微胶囊核壳结构及MgH₂均匀分散，意义：验证合成策略成功实现MgH₂的包封与保护。  

 

 

XRD、FTIR：证明包封过程未破坏MgH₂晶体结构，成分符合设计。  

 

体外释氢行为：  

 

模拟胃液（pH 1.2）中微胶囊形态稳定且无H₂释放（图1h）；模拟肠液（pH 7.0）中持续释氢>48小时（图1i,）。意义：证实pH响应靶向释氢特性，避免胃部分解。  

体内分布与氢气生物利用度：  

 

荧光成像（图2a-c如下）和ICP测镁含量：微胶囊口服后4-6小时主要富集于肠道，12小时后逐渐排出。  

Unisense氢电极测量结肠H₂浓度（图2d 如下）：  

 

 

数据：给药后4小时结肠H₂浓度显著上升，6小时达饱和溶解度（约0.8 mM）。  

 

研究意义：直接证明微胶囊在目标部位（结肠）实现了高浓度、持续性的H₂递送，解决了口服MgH₂粉末或富氢水在肠道H₂生物利用度低的关键问题。该数据是验证"肠道靶向高效递氢"核心假设的直接证据。  

治疗效果数据：  

 

体重变化、DAI评分（图3b-c 如下）：高剂量微胶囊（800 mg/kg）效果与5-ASA相当，显著优于模型组。  

结肠长度恢复（图3d, f）、脾脏重量减小（图3d, g）、组织病理评分改善（图3e, h）：微胶囊效果优于5-ASA，且依赖H₂释放（MgSO₄@EC@ES无效）。意义：证实微胶囊的优越治疗效能。  

 

 

肠道屏障修复（图4）：微胶囊上调紧密连接蛋白（ZO-1, Occludin）表达，促进肠上皮细胞增殖（Ki-67）和类器官生长（图4g-h），意义：揭示H₂促进黏膜修复的细胞机制。  

分子机制数据：  

 

 

 

转录组测序（图5）：富集到线粒体相关基因和氧化磷酸化通路上调。  

 

 

ATP水平检测（图6b如下）：微胶囊显著恢复结肠线粒体ATP产量。  

线粒体ETC复合体蛋白水平（图6f-g, i）：H₂特异性保护复合体II（SDHA）等免受氧化损伤。意义：创新性揭示H₂通过维护ETC功能增强能量代谢，支持黏膜修复。  

 

 

结论：  

成功开发具有核壳结构的肠道靶向控释MgH₂微胶囊（MgH₂@EC@ES），实现口服后结肠局部高浓度、持续性H₂释放。  

 

高剂量微胶囊在结肠炎预防中综合疗效优于一线药物5-ASA，尤其在促进黏膜修复（结肠长度恢复、组织病理改善）方面。  

 

机制上首次揭示：H₂通过靶向保护线粒体ETC复合体（尤其是复合体II）免受氧化损伤，增强肠细胞能量代谢，从而促进上皮再生和屏障修复。该研究为氢气疗法在IBD中的应用提供了创新剂型和机制见解。  

 

丹麦Unisense电极测量数据的详细解读：  

使用Unisense微电极在小鼠结肠腔内直接测量的溶解H₂浓度数据（图2d）具有以下关键研究意义：  

靶向递送验证：给药后前2小时结肠H₂浓度极低，证明微胶囊在胃部（酸性环境）几乎不释氢；4-6小时浓度骤升并达饱和，明确证实微胶囊仅在肠道环境响应性释氢，实现精准靶向。  

 

生物利用度量化：6小时结肠H₂浓度达0.8 mM（生理饱和浓度），远高于富氢水的递送能力（通常<0.8 mM且持续时间短），解决了传统氢气疗法肠道剂量不足的瓶颈。  

 

药效相关性：H₂浓度峰值时间（4-6小时）与微胶囊肠道滞留峰值（图2c）及最佳治疗效果时段吻合，为"高剂量肠道H₂直接驱动疗效"提供直接证据。  

 

技术优势：相较于间接检测（如血液H₂浓度），原位电极测量更准确反映结肠局部生物可利用H₂水平，是评价肠道靶向递送系统的金标准。