告别终身打针?郑州大学,Science子刊:口服纳米颗粒“重启”胰岛β细胞,糖尿病或迎功能性治愈

今日，郑州大学侯琳团队首先通过转录组分析确认了铁死亡相关氧化应激是胰岛β细胞死亡的关键诱因，进而开发出一种名为Cur@OD4的口服纳米制剂。该制剂通过将弯曲的油酸嵌入有序的DSPE-PEG2000-RGD基质中，构建了六种刚度梯度纳米颗粒。筛选表明，中等刚度的OD4纳米颗粒能够优化膜包裹过程并最小化能量消耗，增强肠道M细胞转胞吞作用和巨噬细胞介导的“搭便车”效应，从而使胰腺姜黄素蓄积提高约4.5倍。在糖尿病模型中，该制剂抑制了铁死亡相关氧化应激，促进了胰岛β细胞的原位修复，恢复了胰岛素稳态和自主血糖控制，甚至在停药后仍能维持正常血糖且不诱发低血糖。相关论文以“Stiffness-tunable oral nanoparticles facilitate damaged islet β cell restoration for diabetes treatment”为题，发表Science Advances上。

Fig. 2. 糖尿病小鼠胰腺中与铁死亡相关的氧化应激。(A) 正常小鼠与1型糖尿病（T1DM）小鼠胰腺组织中差异表达基因（DEGs）的火山图。(B) 排名靠前的差异表达基因聚类热图。(C) 差异表达基因的基因本体论（GO）功能富集分析。(D) 差异表达基因的京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析。(E) 花生四烯酸代谢通路的基因集富集分析（GSEA）。(F) 胰腺组织中亚铁离子（Fe²⁺）水平的定量分析。(G) 胰腺组织中GPX4和ACSL4蛋白表达的免疫印迹分析。(H) 胰腺胰岛中4-羟基壬烯醛（4-HNE，脂质过氧化标志物）的免疫组化染色。(I) 胰腺组织中丙二醛（MDA，脂质过氧化终产物）水平的定量分析。数据显示为平均值±标准差。P < 0.05，P < 0.01，P < 0.001。

为揭示纳米颗粒刚度如何影响口服跨膜转运这一核心问题，研究人员通过调节柔性油酸（OA）与刚性、具RGD靶向修饰的磷脂分子（DSPE-PEG2000-RGD）的质量比（从1:1至6:1），采用乙醇注射法构建了六种粒径约200 nm、zeta电位约-45 mV、但刚度呈梯度递减的纳米颗粒（OD1至OD6）。原子力显微镜测量显示，其杨氏模量从OD1的876 MPa逐步降低至OD6的488 MPa，且载药前后刚度保持一致，在模拟胃肠液中亦表现出优异的稳定性（图3B-H）。

Fig. 3. 具有不同机械性能的OD和Cur@OD纳米颗粒的制备与表征。(A) 通过调节OA与DSPE-PEG2000-RGD的质量比制备刚度可调纳米颗粒（OD1至OD6）的示意图。(B) OD1-OD6的透射电镜（TEM）图像。标尺：200 nm。(C) OD1-OD6的水合粒径和Zeta电位（n=3）。(D) 原子力显微镜（AFM）测得的纳米颗粒杨氏模量（n=3）。(E) 杨氏模量与OA:DSPE-PEG2000-RGD质量比的线性拟合关系。(F) OD1-OD6在不同外力（a: 200 pN, b: 400 pN, c: 600 pN）下的AFM图像及相应的形变图。标尺：1 μm和100 nm。(G) 载药前后OD1至OD6纳米颗粒的杨氏模量对比（n=3）。(H) Cur@OD1-Cur@OD6在模拟胃液（2小时）和模拟肠液（4小时）中孵育后的胶体稳定性（n=3）。数据显示为平均值±标准差。P < 0.05，P < 0.01，P < 0.001。

通过体外Caco-2/Raji B共培养M细胞模型和分子动力学模拟，研究揭示了刚度依赖的跨膜规律：RGD修饰的纳米颗粒主要通过整合素识别和网格蛋白介导的内吞途径被M细胞摄取（图4A-B）。随着刚度从OD1降至OD4，M细胞基底侧转运量逐步增加，OD4表现出最高的表观渗透系数（Papp=1.46×10⁻⁵ cm/s）和接近100%的表面包裹率。自由能分析表明，OD4以最低的能量代价完成膜内陷，而过软的OD5和OD6则因形变相关的能量壁垒，转运效率反而下降（图4D-H）。这一刚度与跨膜效率呈“先升后降”的火山形关系，其拟合曲线R²达0.9639。体内荧光成像进一步证实，OD4在胰腺的富集程度较OD1高5.8倍、较OD6高1.3倍（图4J-K），与体外转胞吞趋势高度吻合。

Fig. 4. M细胞转胞吞及OD纳米颗粒的胰腺蓄积。(A) M细胞对经RGD修饰和未修饰的OD1-OD6纳米颗粒的摄取情况（n=3）。(B) 在不同内吞抑制剂（氯丙嗪、EIPA、甲基-β-环糊精）存在下，M细胞对OD1-OD6的摄取（n=3）。(C) 利用Caco-2和Raji B细胞构建体外M细胞模型以评估OD1至OD6转胞吞效率的示意图。(D) 转运至基底侧室的纳米颗粒数量（n=3）。(E) OD1-OD6在M细胞单层上的表观渗透系数（Papp）（n=3）。(F) Papp与纳米颗粒杨氏模量的多项式拟合关系。(G) OD1-OD6的表面内化百分比。(H) OD1至OD6内化过程的自由能分析。(I) 纳米颗粒刚度调控M细胞转胞吞作用机制的示意图。(J) 口服给药后8小时，OD1至OD6在胰腺蓄积的活体荧光成像及(K) 定量分析（n=3）。数据显示为平均值±标准差。P < 0.05，P < 0.01，P < 0.001；ns，无显著性差异。

OD4纳米颗粒高效跨膜后，其胰腺靶向机制涉及一个精密的“接力”过程。活体成像显示，IR780@OD4经口服后在肠道（尤其是回肠段）及肠系膜淋巴结中产生强烈荧光信号，胰腺荧光随时间逐步增强，表明其经由肠系膜淋巴途径转运（图5A-C）。流式细胞术和共聚焦显微镜证实，C6@OD4被派尔斑中巨噬细胞高效摄取，4小时内化率达86.1%，Pearson共定位系数达0.73（图5D-E）。在MCP-1趋化实验中，载药巨噬细胞迁移能力未受影响（图5F）。更为关键的是，在模拟胰腺炎症环境的LPS诱导M1极化条件下，巨噬细胞释放姜黄素的比例达73.8%，而静息态仅释放25%（图5G），体现了“炎症部位定点释放”的特性。通过这一“M细胞转胞吞-巨噬细胞搭车-炎症定向释药”的级联过程，Cur@OD4使胰腺姜黄素水平较游离药物提高4.5倍，超越了文献报道的多数口服胰腺递送系统（1.5至3.5倍）（图5I）。药代动力学分析显示，Cur@OD4的AUC₀₋ₜ从游离姜黄素的18.35 ng·h/mL提升至208.3 ng·h/mL，相对口服生物利用度提高11.4倍。

Fig. 5. Cur@OD4的胰腺蓄积机制。(A) 口服游离IR780或IR780@OD4后2、4、8小时，离体肠道的荧光成像。(B) 离体肠系膜淋巴结（MLNs）和(C) 胰腺的荧光成像及定量分析（n=3）。(D) 流式细胞术分析巨噬细胞（Mph）在不同时间点对C6@OD4的摄取情况。(E) 派尔斑中C6@OD4（绿色）与巨噬细胞（F4/80，红色）共定位的共聚焦显微镜图像。标尺：50 μm。(F) 经Cur@OD4处理的巨噬细胞在MCP-1诱导下的迁移能力评估。(G) 巨噬细胞（Mph）和脂多糖（LPS）诱导的M1型巨噬细胞对Cur@OD4的累积释放曲线。(H) 口服游离姜黄素（Cur）或Cur@OD4后8小时，胰腺组织中姜黄素的含量（n=3）。(I) 本研究中Cur@OD4与文献报道的其他口服胰腺递送系统在胰腺蓄积增强倍数上的比较。数据显示为平均值±标准差。P < 0.01，*P < 0.001。

被精准递送至胰腺的姜黄素，其治疗机制首先在细胞层面得到验证。在100 mM高糖损伤的MIN6胰岛β细胞模型中，Cur@OD4使细胞存活率从损伤组的40.2%显著恢复至98.8%，并使胰岛素分泌水平恢复至接近正常对照（图6A-B）。机制研究表明，Cur@OD4处理使高糖损伤细胞内的ROS水平降低68.7%，Fe²⁺蓄积减少66%，GPX4表达上调57.6%，ACSL4表达下调31.6%，同时恢复了GSH水平并降低了MDA含量，C11-BODIPY荧光探针也证实了脂质过氧化的显著抑制（图6C-H）。这些结果表明，Cur@OD4通过恢复GPX4依赖的抗氧化防御和抑制ACSL4介导的脂质过氧化，有效阻断了铁死亡通路。

Fig. 6. Cur@OD4抑制MIN6细胞中与铁死亡相关的氧化应激。(A) 不同处理条件下高糖（HG, 100 mM）损伤的MIN6细胞的存活率。(B) 处理后的MIN6细胞相对胰岛素分泌水平。(C) 使用DCFH-DA探针检测细胞内活性氧（ROS）的荧光成像。标尺：100 μm。(D) 细胞内Fe²⁺水平。(E) GPX4和ACSL4表达的免疫印迹分析。β-actin作为上样对照。(F) 细胞内谷胱甘肽（GSH）水平，以及(G) 处理后的MIN6细胞中MDA含量。(H) 使用C11-BODIPY 581/591探针检测脂质过氧化的荧光成像（红色代表还原状态，绿色代表氧化状态）。标尺：50 μm。数据显示为平均值±标准差（n=3）。P < 0.05，P < 0.01，P < 0.001。

在STZ诱导的1型糖尿病小鼠模型中，Cur@OD4的疗效得到了系统性验证。为期12周的每日口服治疗使空腹血糖从异常高水平稳步下降，至12周末接近正常范围，降糖效果与每日皮下注射胰岛素相当（图7B）。Cur@OD4组HbA1c水平较糖尿病对照组降低46.5%，几乎恢复至健康对照水平（图7C）。更为关键的是，Cur@OD4组空腹血清胰岛素水平较糖尿病对照组升高1.6倍，HOMA-β指数显著改善（图7D），表明β细胞功能得到实质性恢复。在停药后14天的观察期内，Cur@OD4组小鼠血糖持续维持在正常范围，而胰岛素组血糖迅速反弹至病态高水平（图7E）。IPGTT和IPITT试验进一步证实，Cur@OD4组的葡萄糖清除能力和胰岛素敏感性均接近正常对照组（图7G-H）。组织学分析显示，Cur@OD4治疗组胰岛形态完整、边界清晰，胰岛素阳性面积增加2.3倍，胰高血糖素阳性区域减少32%（图7I-J），表明胰岛内分泌平衡得到重建。

Fig. 7. Cur@OD4在1型糖尿病小鼠中的治疗效果。(A) 糖尿病模型建立及治疗实验方案示意图。(B) 为期12周治疗期间的空腹血糖（FBGL）水平变化（n=10）。(C) 治疗后各组小鼠的糖化血红蛋白（HbA1c）水平（n=5）。(D) 治疗后各组小鼠的血清胰岛素（INS）水平（n=5）。(E) 停药后2周内FBGL的变化情况（n=5）。(F) 治疗期间小鼠体重变化（n=10）。(G) 腹腔糖耐量试验（IPGTT）曲线（n=5）。(H) 腹腔胰岛素耐量试验（IPITT）曲线（n=5）。(I) 胰腺组织代表性H&E染色，评估胰岛形态。标尺：500 μm和200 μm。(J) 胰腺切片的免疫荧光染色。INS（绿色）：胰岛素阳性的胰岛β细胞；GLU（红色）：胰高血糖素阳性的α细胞；DAPI（蓝色）：细胞核。标尺：50 μm和100 μm。数据显示为平均值±标准差。P < 0.05，P < 0.01，P < 0.001，****P < 0.0001。i.p.：腹腔注射；i.g.：灌胃；INS：胰岛素。

Cur@OD4的抗氧化和抗铁死亡效应在体内同样得到充分证实。与糖尿病对照组相比，Cur@OD4使胰腺TNF-α和IL-6水平分别降低57.4%和43.7%，ROS荧光强度大幅减弱，MDA和4-HNE水平分别降低66.4%和21.8%，GSH水平升高2倍，Fe²⁺蓄积减少57.5%（图8A-G）。蛋白水平上，Cur@OD4使GPX4表达上调1.24倍、ACSL4表达下调38.3%（图8H），从分子层面确认了其对铁死亡通路的有效抑制。

Fig. 8. Cur@OD4的抗氧化和抗铁死亡效果评估。(A) 血清肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和(B) 白介素-6（IL-6）水平（n=5）。(C) 胰腺组织切片中ROS（红色）荧光染色。标尺：100 μm。(D) 胰腺组织中MDA水平（n=5）。(E) 胰腺组织中4-HNE的免疫组化染色。标尺：100 μm（上排）和40 μm（下排，胰岛区域放大图）。(F) 胰腺组织中GSH和(G) Fe²⁺水平的定量分析（n=5）。(H) 胰腺组织中铁死亡相关蛋白GPX4和ACSL4的免疫印迹分析。数据显示为平均值±标准差。P < 0.01，P < 0.001，***P < 0.0001。INS：胰岛素。

安全性评估方面，12周治疗期间血清肝肾功能指标（ALT、AST、Cr、UREA、LDH、CK）在Cur@OD4组与正常组间无显著差异，主要脏器H&E染色未见明显毒性改变，且肝脏形态在Cur@OD4组得到良好保护，证实了该口服制剂长期应用的生物安全性。

综上所述，这项研究不仅提供了一种患者友好的口服纳米制剂Cur@OD4，更关键的是，它揭示了一个此前未被充分探索却极具潜力的口服纳米药物设计原则——通过调节软硬相比例实现刚度调控，从而优化M细胞转胞吞和后续的组织靶向蓄积。该策略将口服生物利用度极低的天然抗氧化剂姜黄素转化为能够修复受损组织的有效疗法，实现了从“被动控糖”到“主动修复”的治疗范式转变。研究团队指出，当前结果基于STZ诱导的T1DM小鼠模型，仅部分模拟了人类T1DM的复杂性，未来需在更贴近临床的模型中验证疗效并系统评估长期结局。凭借其模块化结构和良好的生物相容性，这一刚度可调平台具有极强的适应性，有望拓展至其他需要精准口服递送和组织特异性蓄积的慢性疾病治疗中。