趋化性锌微马达用于治疗高血氨相关肝性脑病

基本信息

英文标题：Chemotactic Zn micromotor for treatment of high blood ammonia-associated hepatic encephalopathy

中文标题：趋化性锌微马达用于治疗高血氨相关肝性脑病

发表期刊：《Nature Communications》

影响因子：14.7

作者单位：中山大学材料科学与工程学院、丽水市人民医院慢性肝病与肝癌联合诊疗重点实验室、荷兰拉德堡德大学分子与材料研究所、南方医科大学药学院广东省新药筛选重点实验室

作者信息：

Ye Feng, Chao Gao, Xiuyun Peng, Bin Chen, Miaomiao Ding, Dailing Du, Jinghui Rong, Qi Lv, Daniela A. Wilson, Yingfeng Tu, Fei Peng

研究背景

肝性脑病的现状与挑战

高血氨是肝性脑病的主要诱因，目前临床治疗方法有限，亟需新型靶向治疗策略。

传统方法如透析和灌注存在侵入性强、副作用大等问题。

微纳米马达技术的需求

微纳米马达能够将化学能转化为机械运动，但在生物医学应用中面临方向控制不足的挑战。

研究创新点

首次设计了一种基于锌微马达的化学趋向性平台，通过氨的浓度梯度实现自主导航。

锌微马达通过配位反应捕获氨，形成复合离子，降低体内氨浓度，改善肝纤维化和肝性脑病。

研究方法

锌微马达的制备与表征

采用电化学沉积法合成锌微马达，通过SEM和EDX分析其形貌和元素组成。

锌微马达在氨梯度中表现出自主趋化运动，速度达1.78 ± 1.02 μm/s。

化学趋向性实验

在静态和动态流体环境中验证锌微马达的趋化行为，证明其能够定向迁移至高氨浓度区域。

通过ESI-MS检测反应产物，证实锌微马达与氨形成复合离子Zn(NH₃)₂⁺和Zn(NH₃)₂⁻。

体外与体内实验

体外：锌微马达显著降低氨诱导的肝细胞和神经元氧化应激，提高细胞活性和迁移能力。

体内：在硫代乙酰胺(TAA)诱导的肝纤维化小鼠模型中，锌微马达通过静脉或口服给药显著降低血氨水平，改善肝功能和脑损伤。

实验结果

图1：锌微马达构建示意图,向NH3·H2O的趋化迁移及促进体内氨代谢的靶向作用

图(a) 采用PC膜模板法通过电沉积制备锌微马达。

图(b) 锌微马达对氨的趋化迁移评估。在Z形玻璃通道中，通道一端加入氨水，氨的扩散形成浓度梯度，引导锌微马达向富氨区域迁移。

图(c) 锌微马达辅助氨代谢并改善肝纤维化。微马达进一步降低脑部渗透性氨浓度，减缓神经元死亡，改善肝性脑病。本图部分元素复制自MATRIX资源库，版权归杭州SPHERE科技有限公司所有。

图2：锌微马达的表征与运动性能

图(a) 锌微马达在水中的自推进机制。

图(b) 锌微马达的长度分布。

图(c) 锌微马达的直径分布。

图(d) 单个锌微马达的扫描电镜图像。比例尺：600纳米。

图(e) 锌微马达的元素分布图。比例尺：600纳米。

图(f) 单个锌微马达横截面的扫描电镜图像。比例尺：200纳米。

图(g) 锌微马达横截面的元素分布图。比例尺：200纳米。

图(h) 锌微马达(硅基底上)对应的元素组成。

图(i) 锌微马达在10秒内的归一化运动轨迹(时间间隔=100毫秒)(n=30个独立样本)。

图(j) 水中锌微马达的速度与方向性统计(n=30个独立样本)。结果以箱线图形式呈现(箱体表示四分位距(IQR)，中线表示中位数，箱体上下边缘分别显示上四分位数(Q3)和下四分位数(Q1)，须线延伸至数据集的最大最小值)。

图(k) 锌微马达周围Zn2+的荧光强度分析。在d-g中，Zn的全称为锌。在d-h和k中，实验独立重复三次获得相似结果，图示为代表性结果。b、c、i和j中的数据以平均值±标准差表示。源数据详见源数据文件。本图部分元素复制自MATRIX资源库，版权归杭州SPHERE科技有限公司所有。

图3：锌微马达趋化动力学评估

图(a) 锌微马达在培养皿中趋化运动示意图。

图(b) 标准化运动轨迹及

图(c) 锌微马达运动方向分布的对应统计数据(n=30个独立样本)，记录于左侧添加150 μM NH3·H2O(10 μL)浸渍棉片时。

图(d) 标准化运动轨迹及

图(e) 锌微马达运动方向分布的对应统计数据(n=30个独立样本)，记录于左侧添加1500 μM NH3·H2O(10 μL)浸渍棉片时。

图(f)各组运动速度比较(n=30个独立样本)。

图(g)各组趋化指数(CI)值比较(n=30个独立样本)。图(f、g)结果以箱线图展示(箱体表示四分位距(IQR)，中线表示中位数，箱体上下边缘分别显示上四分位数(Q3)和下四分位数(Q1)，须线延伸至数据集最大值和最小值)。DI水为对照组。h 三入口微流控通道中锌微马达趋化示意图。NH3·H2O通过通道A引入，锌微马达通过通道B引入，H2O通过通道C引入。

图(i) 各通道溶液达到稳态分布时的观测记录位点。

图(j) 通道A与B交界处锌微马达运动轨迹记录(n=15个独立样本)。

图(k) 通道A与B交界处锌微马达运动方向分布统计(n=15个独立样本)。

图(l) 通道B与C交界处锌微马达运动轨迹记录(n=15个独立样本)。

图(m)通道B与C交界处锌微马达运动方向分布统计(n=15个独立样本)。b–g和j–m数据以均值±标准差表示。P值通过双尾Student t检验分析。星号(*)表示统计学显著性：**p < 0.01，*p < 0.05。源数据详见Source Data文件。本图部分元素复制自MATRIX资源库，版权归杭州SPHERE科技有限公司所有。

图4：通道中锌微电机趋化动力学的评估。水作为对照组

图(a)锌微电机在通道中趋化运动示意图。

图(e) 锌微电机与氨水反应产物的电喷雾电离质谱分析。实验独立重复三次。

图(b) 归一化运动轨迹与

图(c) 记录对应统计数据结果，展示具有代表性的数据。

图(f) 通过多物理场有限元分析软件COMSOL模拟的锌微电机在E点(靠近浸泡150 mM氨溶液的棉球处)运动方向分布浓度场(n=30个独立样本)。

图(g) 通过COMSOL模拟的锌微电机速度场。

图(d) 各组运动速度与趋化指数(CI)值对比(n=30个独立样本)。b-d数据以均值±标准差表示。P值采用双尾学生t检验分析。星号(*)表示统计显著性：****p < 0.0001。源数据详见源数据文件。本图部分元素改编自杭州矩阵科技有限公司MATRIX资源库版权素材。

图5：锌微马达对氨处理细胞的治疗效果

AML-12细胞的氧化应激指标：a谷胱甘肽(GSH)、b超氧化物歧化酶(SOD)和c丙二醛(MDA)(n=3个独立样本)。

HT22细胞的氧化应激指标：d谷胱甘肽(GSH)、e超氧化物歧化酶(SOD)和f丙二醛(MDA)(n=3个独立样本)。g AML-12细胞和h HT22细胞的细胞活力(n=3个独立样本)。i AML-12细胞和j HT22细胞的细胞迁移图像。实验独立重复三次，结果相似，图中显示具有代表性的结果。比例尺：500微米。a-h数据以均值±标准差表示。P值通过双尾学生t检验分析。星号(*)表示统计学显著性：****p < 0.0001，***p < 0.001，**p < 0.01，*p < 0.05。源数据详见源数据文件。

图6：锌微电机治疗后小鼠运动活动评估及肝功能生化检测

图(a) 小鼠处理示意图。

图(b) 平衡木测试(n=5个独立样本)。

图(c) Y迷宫自发交替实验(n=5个独立样本)。

图(d) 造模及治疗后运动轨迹。比例尺：2厘米。

图(e) 血氨水平。

图(f) 谷草转氨酶(AST)。

图(g) 谷丙转氨酶(ALT)。

图(h) 白蛋白(ALB)。

图(i) 总胆红素(TBIL)。

图(j) 血清锌水平(n=5个独立样本)。

b-j数据表示为均值±标准差。P值采用双尾Student t检验分析。星号(*)表示统计学显著性：****p < 0.0001，**p < 0.01，*p < 0.05。源数据以源数据文件形式提供。本图部分元素复制自MATRIX资源库，版权归杭州SPHERE科技有限公司所有。

图7：肝脏组织病理学检查结果

图(a) 肝脑体重比(n=5个独立样本)。

图(b) 各组小鼠血氨下降率(n=3个独立样本)。

图(c) 各组小鼠肝脏氨含量下降率(n=3个独立样本)。

图(d) 谷胱甘肽(GSH)。

图(e) 总超氧化物歧化酶(T-SOD)。

图(f) 肝脏氧化应激标志物丙二醛(MDA)水平(n=5个独立样本)。

图(g) 肝组织切片天狼星红染色图像。比例尺：200微米，100微米。

图(h) 肝组织切片H&E染色图像。比例尺：200微米，100微米。

d-f数据以均值±标准差表示。P值采用双尾学生t检验分析。星号(*)表示统计学显著性：**p<0.01，*p<0.05。源数据详见源数据文件。

图8：肝脏组织病理学检查结果

图(a) 各组脑组织中谷氨酰胺含量(n=3独立样本)。

图(b) 谷胱甘肽(GSH)。

图(c) 总超氧化物歧化酶(T-SOD)。

图(d) 脑组织中丙二醛(MDA)水平等氧化应激生物标志物(n=5独立样本)。

图(e) 大脑皮层与海马区尼氏染色图像。比例尺：100微米，200微米。

图(f) 大脑皮层神经元与暗神经元尼氏染色统计分析(n=5独立样本)。

图(g) 脑部海马CA1区神经元与暗神经元尼氏染色统计分析(n=5独立样本)。

图(h) 脑部海马CA3区神经元与暗神经元尼氏染色统计分析(n=5独立样本)。

图(i) 脑部海马DG区神经元与暗神经元尼氏染色统计分析(n=5独立样本)。

f-i结果以箱线图呈现(箱体表示四分位距IQR，中线为中位数，箱体上下边缘分别为上四分位数Q3和下四分位数Q1，须线延伸至数据集最大值与最小值)。a-d及f-i数据以均值±标准差表示。P值采用双尾学生t检验分析。星号(*)标示统计学显著性：***p<0.001，**p<0.01，*p<0.05。源数据详见源数据文件。

图9：锌微马达体内安全性评估

图(a) 锌微马达在NH3·H2O中的降解程度(n=30个独立样本)。

图(b) 锌微马达溶血实验(n=3个独立样本)。阴性对照：0.9%氯化钠溶液中的红细胞;阳性对照：水中的红细胞。

图(c) 锌微马达体内代谢动力学(n=3个独立样本)。

图(d) 各组主要器官H&E染色，比例尺：100微米。实验独立重复三次结果相似，图示为代表性结果。

a-c数据以均值±标准差表示。P值采用双尾学生t检验分析。源数据详见源数据文件。

研究结论

化学趋向性：锌微马达在氨梯度中表现出高效趋化行为，趋化指数提高75%-100%。

治疗效果：

血氨水平降低44.59%(静脉)和42.13%(口服)。

肝纤维化面积减少38.33%(静脉)和31.81%(口服)。

脑神经元损伤显著改善，运动能力和认知功能恢复。

安全性：锌微马达在体内降解完全，无显著毒性。

创新策略：通过配位反应实现锌微马达的化学趋向性，为肝性脑病提供了一种新型靶向治疗平台。

转化意义：锌微马达的自主导航和高效氨捕获能力为高血氨相关疾病的治疗提供了新思路，推动了微纳米马达在生物医学中的应用。