NAT COMM| 中南大学唐涛教授团队制备天然小分子产物大黄酸的自组装水凝胶
推荐：江舜尧
编译：谢园园
编辑：马莉
中南大学湘雅医院中西医结合治疗中心重点实验室唐涛教授带领的团队于2019年4月8日在《Nature Communications》上发表了题目为《Directed self-assembly of herbal small molecules into sustained releasehydrogels for treating neural inflammation》的文章。
该研究主要制备了天然小分子产物大黄酸的自组装水凝胶，它能够进入细胞并与TLR4结合，使IκBα去磷酸化，抑制脂多糖诱导的BV2小胶质细胞中NFκB信号通路中p65的核转位，从而减轻神经炎症。此外，与体外等效的游离药物相比，大黄酸水凝胶具有长效作用和更小的细胞毒性。
文章摘要
从中药大黄中提取的小分子大黄酸是一种蒽醌物质，其在治疗脑损伤（包括神经退行性疾病和创伤性脑损伤）中通过抗炎作用进行神经保护，然而它的溶解度很差，并且生物利用度很低，因此我们利用大黄酸分子间π-π相互作用和氢键直接自组装成超分子水凝胶，该水凝胶具有优异的生物稳定性，持续的药物释放和可逆的刺激响应性能，并且比其游离药物具有更好的抗神经炎症作用，且几乎没有细胞毒性。为了研究大黄酸水凝胶这种优越的抗神经炎症效应，我们探索了其潜在的分子机制。我们的研究表明大黄酸超分子水凝胶比游离药物更容易进入细胞，且进入细胞的浓度大于游离药物，这使得大黄酸超分子水凝胶能更多的结合toll样受体4（TLR4）的活性位点，从而抑制TLR4 /NFκB信号传导通路来实现抗神经炎症的作用。大黄酸超分子水凝胶的应用不仅提高了治疗效果，更减少细胞毒性，这为天然小分子形成的直接自组装水凝胶提供了范例。
文章重点
中药大黄中提取的小分子物质大黄酸溶解性差，生物利用度低，其自组装形成的超分子水凝胶具有优异的生物稳定性，持续的药物释放性和可逆的刺激响应性能。
大黄酸和大黄酸水凝胶均可以减轻LPS诱导的BV2细胞中的神经炎症。
大黄酸和大黄酸水凝胶均可以抑制LPS诱导的BV2细胞中的TLR4 /NFκB途径。
大黄酸超分子水凝胶比游离药物具有更优越的抗神经炎症效应和更小的细胞毒性。
文章主要图片说明
图1 |大黄酸水凝胶的形态学观察。a 大黄酸的化学结构。 b大黄酸水凝胶的SEM图像，比例尺：2μm。 c大黄酸水凝胶的TEM图像，比例尺：500nm。 右上角是局部放大图，比例尺：20nm。 d由剪切应力和温度引发的大黄酸水凝胶的可逆凝胶-溶胶转变。 e大黄酸水凝胶的应变依赖振荡剪切流变学，固定频率为10 rad s-1。 f在低应变（0.1％）和高应变（35％），频率10rad s-1下，在五个循环中对水凝胶进行步进应变测量。 g在0.1％应变下测量的大黄酸水凝胶的动态扫频。 h大黄酸水凝胶的动态时间扫描，应变为0.1％，频率为10rad / s。 水凝胶的浓度为5mg mL-1（17.6mM），T = 25℃
图2 |大黄酸水凝胶的质谱分析。a，b大黄酸水凝胶的MS分析。 c单体[M-H]- 的MS / MS分析。 d二聚体[2M-2H + Na]- 的MS / MS分析。 e三聚体[3M-3H + 2Na]的MS / MS分析。 f四聚体[4M-4H + 3Na]- 的MS / MS分析。 g五聚体[5M-5H + 4Na]的MS / MS分析
图3 |大黄酸水凝胶的自组装机制。a 大黄酸水凝胶的UV / Vis光谱。 b大黄酸溶液和水凝胶的荧光发射光谱。以4mg mL-1（14.1mM）记录样品。 c大黄酸干凝胶的XRD图谱（插入距离的单位是Å）。 d大黄酸水凝胶在不同浓度下的CD光谱。 e大黄酸水凝胶的自组装过程图
图4 |大黄酸水凝胶表现出更好的可持续释放性和更低的细胞毒性。a大黄酸水凝胶的体外释放曲线，大黄酸水凝胶的浓度分别为4mg mL-1（14.1mM）和6mg mL-1（21.1mM）。 将凝胶与PBS缓冲溶液（pH7.4）在37℃温育。 b细胞中大黄酸浓度随时间的变化曲线。 c，d用不同浓度的大黄酸水凝胶和大黄酸盐孵育的BV2细胞的细胞活力（24小时和48小时），样品的浓度范围为0至40μM。
图5 |大黄酸和大黄酸水凝胶减轻LPS诱导的BV2细胞中的神经炎症。 a BV2细胞的共聚焦显微镜图像（用对照，LPS，大黄酸和大黄酸水凝胶处理）。细胞核显示为蓝色（DAPI），TNF-α显示为红色，IL-1β显示为绿色，黄色标记显示共定位。b蛋白质印迹分析TNF-α和IL-1β蛋白的在24小时和48小时的相对含量。 c在24小时和48小时时TNF-α的定量。 d在24小时和48小时定量IL-1β蛋白。 ELISA测定用于在24小时和48小时测定TNF-α（e）IL-1β（f），IL-6（g），IL-12（h）和iNOS（i）水平。
图6 |大黄酸和大黄酸水凝胶抑制LPS诱导的BV2细胞中的TLR4 /NFκB途径。a大黄酸和TLR4之间相互作用的分子对接分析。分子对接模型说明了大黄酸与TLR4活性位点之间的相互作用，表明存在分子间氢键和π-π相互作用。 b蛋白质印迹分析显示，大黄酸及其水凝胶阻断了TLR4 /NFκB途径。（c）p-IκBα/IκBα（d）和p65（e）进行定量。 结果表示为TLR4/ GAPDH，p-IκBα/IκBα和p65/ Lamin B的比率。
图7 |大黄酸水凝胶诱导神经炎症预防的示意图。大黄酸通过非共价相互作用自组装以形成纳米纤维，其进一步交联以形成3D网络结构。当用大黄酸纳米纤维处理炎性BV2细胞时，纳米纤维缓慢解聚以释放大黄酸或大黄酸聚集体。它们与MD-2（TLR4受体的亚基）强烈结合，模糊TLR4的活性位点并进一步阻断底物的进入，导致NFκB活化受到抑制，进而大黄酸水凝胶抑制神经炎症因子和介质的释放。