负载益生元和活性物质的静电纺结肠靶向运输体系的构建及性能研究

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功能活性物质(如蛋白、黄酮和多酚类化合物等)具有抗氧化、抗结肠癌等多种生理活性。然而,其在加工过程中易受温度和有机溶剂等因素的影响而失活,在消化吸收过程中亦会受到上消化道的屏障作用及肝脏的首过效应导致可及性差,从而限制了活性物质的口服应用。研究表明,通过构建结肠靶向运输体系可实现功能物质的有效封装及在结肠处的靶向释放,利于提高其稳定性和生物利用度。与其它方法相比,基于静电纺丝技术构建结肠靶向运输体系具有操作简单、条件温和、包埋率高等优点。特别地,同轴静电纺丝技术可以制备核壳结构的纳米纤维,通过选择不同的核、壳层材料可以保护活性物质在胃肠道中的稳定性并实现结肠靶向释放。然而,目前尚未见利用静电纺丝技术构建负载大分子和小分子活性物质多糖基结肠靶向运输体系的研究,而体系中加入益生元是否会影响活性物质的结肠靶向性和活性亦未见报道。因此,本论文首先以牛血清白蛋白(BSA)为蛋白模型,探讨采用同轴静电纺丝技术制备负载蛋白的结肠靶向运输体系的可行性;然后进一步研究该体系对于功能蛋白(藻蓝蛋白,PC)及小分子活性物质(槲皮素,Q)靶向递送的适用性;最后,初步探究了益生元与活性物质协同抑制结肠癌细胞增殖的作用机制。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)负载牛血清白蛋白的静电纺结肠靶向运输体系的构建及性能研究首先采用离子凝聚法制备负载BSA的壳聚糖/牛血清白蛋白纳米粒子(BCNP)。适宜的制备条件为壳聚糖(CS)浓度3 mg/mL,CS与三聚磷酸钠的质量比4:1,初始pH5.3。透射电镜(TEM)结果显示纳米粒子呈球形,粒径约为20 nm。然后将上述制备的BCNP与聚乙烯醇(PVA)混合作为核层、海藻酸钠(SA)和聚氧化乙烯(PEO)作为壳层,利用同轴静电纺丝技术制备了形貌良好、具有核壳结构的纳米纤维膜。傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射及热重分析的结果表明SA和PEO、CS和PVA之间存在相互作用。体外模拟释放的结果显示在模拟胃液(SGF)和小肠液(SIF)中,BSA的累计释放量<18%;在模拟结肠液(SCF)中,20 h内的累计释放量为75%,表明BSA的释放行为具有结肠靶向性。释放动力学研究表明,BSA在SGF和SIF中的释放遵循Fickian扩散机制,而在SCF中遵循case II释放机制。FTIR和圆二色谱结果表明纳米粒子的制备过程及静电纺丝过程对BSA的二级结构未有显著影响(P>0.05)。(2)负载益生元和藻蓝蛋白的静电纺结肠靶向运输体系的构建及性能研究基于BSA的研究结果,为考察所构建的结肠靶向体系对功能蛋白活性的影响,本章制备了同时负载益生元(选择低聚半乳糖,GOS)和PC的纳米纤维膜。在SGF和SIF转运6 h后,纤维膜中PC的累计释放量约15%,而在SCF中PC的累计释放量达82%。特别地,GOS的添加促进了益生菌的增殖、提高了纤维膜中PC的结肠靶向递送性及释放速率。释放动力学结果表明在SGF和SIF中,纤维膜中PC的释放机制也是基于Fickian扩散,而在SCF中的释放遵循super case II释放机制,包括基材的溶胀和溶蚀,其中以纤维膜的溶蚀为主。细胞实验结果表明负载GOS和PC的纤维膜以剂量和时间依赖性趋势抑制HCT116细胞的增殖,培养24 h,48 h和72 h后,其IC50值分别为22.31、17.12和11.63 mg/mL,且GOS和PC具有协同抑制癌细胞增殖的作用。所得纤维膜对正常肠粘膜细胞CCC-HIE-2没有明显的细胞毒性,表明负载GOS和PC的纤维膜可以应用于功能蛋白的结肠靶向递送并保持生理活性。(3)负载益生元和槲皮素的静电纺结肠靶向运输体系的构建及性能研究为进一步研究该体系对小分子物质靶向递送的适用性,本章制备了同时负载GOS和Q的纳米纤维膜。该纤维膜具有良好的抗氧化性,50%DPPH抑制浓度(DC50)为522.13μg/mL。在SGF和SIF中,Q的累计释放量为20%,而在SCF中可以实现约73%的释放。同样地,GOS的添加提高了Q的释放速率。与PC类似,负载GOS和Q的纤维膜对Caco-2细胞的增殖呈剂量和时间依赖性抑制趋势,培养24 h,48 h和72 h后,其IC50值分别为3.52、2.08和1.51 mg/mL,且GOS和Q之间具有协同作用。此外,所得纤维膜与正常肠粘膜细胞具有良好的生物相容性,表明所得纤维膜亦可应用于小分子活性物质的结肠靶向递送并发挥抑制癌细胞增殖的功能。(4)纤维膜中益生元和活性物质抑制结肠癌细胞增殖的作用机制研究初步研究了负载GOS和活性物质(PC或Q)的纤维膜对细胞周期、凋亡及相关蛋白表达的影响。结果表明,负载GOS和活性物质的两种纤维膜可通过上调P21、抑制cyclin D1和CDK4的表达将细胞周期阻滞于G0/G1期,以及通过线粒体通路的介导,以减少cleaved caspase-3表达,降低Bcl-2/Bax比值和促进细胞色素C释放来诱导细胞发生凋亡,且GOS和活性物质之间具有协同作用。本论文为负载益生元和活性物质结肠靶向体系的构建提供了理论依据和科学方法,对促进静电纺丝技术在生物活性物质的包埋、靶向释放及功能食品中的应用具有重要意义。
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