运用藻类微生物实现化疗药物口服给药

口服给药一直是广泛使用的给药途径之一，其优势巨大，但也存在一些不足之处，如不适用于胃液稳定性差的药物，以及与肠道内壁的相互作用有限、溶解度低的药物。为了因应对以上挑战，来自加利福尼亚大学圣迭戈分校（UCSD）的研究者们开发了一类以藻类微生物——莱茵衣藻为基础的递药系统，成功增强了药物在小肠的滞留和吸收，提高了化疗药物的口服生物利用度，显示出的转化潜力。        

01微纳米马达

微纳米马达 能在微纳米尺度自主游动，在生物诊疗、环境监测、微纳制造等领域有极大应用前景，能够将治疗药物主动转运到特定位点。在局部递送药物和治疗胃肠道（GI）疾病方面具有很好的前景。

常见的微纳马达是基于化学反应的微纳马达，将化学能转化为机械动能推动马达运动，无需外界供能，输送效率高，但一旦与GI流体接触，滞留时间减短，与胃肠粘膜相互作用减弱，会导致药物生物利用度降低。

而基于微生物的微纳马达，如细菌、精子、藻类等显示出强大的自我推进能力， 能够运输药物到达一般治疗难以到达的身体部位 ，例如将天然藻类在小肠中的能够高效持久运动这一特性与口服胶囊的保护作用相结合，从而使药物在肠道黏膜内的滞留时间延长，从而大大提高了药物在GI的递送效率。很好地实现了微纳马达高效、可控的驱动。

本实验选用莱茵衣藻，它有诸多优点，细胞相容性好，具有良好的适应性和运动性，成本效益高、可扩展生产，有众多可用于功能化的表面基团和易于跟踪的自发荧光。

莱茵衣藻通过以50 Hz的频率同步拍打两个鞭毛游泳，能达到高达200μm/s的速度。与化学动力镁基马达相比，莱茵衣藻在肠液中显示出更强的推进力。

02  实验结果与分析  

一、藻类微马达在模拟肠液中的运动

在模拟肠液（SIF）中，莱茵衣藻纳米马达通过鞭毛的协调运动表现出约120μm/s的稳 定速度，持续至少12小时。而镁基马达在推进过程中会被快速溶解和耗竭，在30min之后停止运动。

为了证明藻类马达具有药物递送的潜力，用两种不同的药物负载在莱茵衣藻纳米马达上：荧光染料和聚合物纳米颗粒（NPs），进行荧光跟踪。结果显示其中位速度几乎与未修饰的藻类相同。同样，NP负载的纳米马达在SIF中也表现出相似的运动模式和速度分布。

二、将藻类马达制成保护胶囊

藻类马达有望实现药物递送，但在药物输送到胃肠道时，需要考虑藻类会被胃内酸性环境降解，为解决这个问题，使用胶囊对藻类进行封装，胶囊外表面涂有pH响应聚合物，以保护口服药物免受胃酸的影响。

这些数据表明，藻类马达可以被有效地封装和释放，藻类在模拟胃液（SGF）中没有释放，而在SIF中随着时间的推移而释放。在SIF中，从实验开始到45分钟，大部分藻类被释放，45分钟后释放明显，释放总量达到9.15×105。在整个封装和胶囊释放过程中，藻类的中值速度保持不变，表明该过程对其运动能力的影响微小，可以忽略不计。

三、藻类纳米马达的胃肠道运动与分布

模仿肠道的生理条件，评估37℃下藻类马达和镁基马达的运动行为，结果显示藻类马达的速度受到温度的影响，12小时后降至40μm/s，有约70%的藻类仍能活动。相比之下，传统的镁基马达很快失去了运动，15min后仅有8%保持运动。这些数据表明藻类马达的性能更佳，即使在不利的条件下也可以长时间存活。

在体外试验之后，评估以胶囊形式口服给药时藻类马达的体内生物分布和保留。荧光标记后将藻类马达和镁基马达嵌入保护性胶囊中，饲给小鼠。给药5h后对小鼠实施安乐死，并对其胃肠道进行体外成像，相比镁基马达，藻类马达在肠道中分布更加的广泛，保留率更高。 生物分布差异表明藻类具有持久的运动特性，可以有效地在胃肠道内传递药物有效载荷。

四、藻类马达胶囊的体内药物递送

为了探究藻类马达在小肠内改善生物分布和滞留的机制，将不同状态的莱茵衣藻用于载药，包括仅含培养基的胶囊，没有胶囊的游离藻类和含静态藻类的胶囊。

在口服给药后5小时，与包封静态藻类的胶囊相比，包封藻类马达的胶囊可以更广泛地促进肠道中的药物分布。此外，在给予游离藻类后，肠道中几乎没有观察到任何信号，这表明藻类被胃酸破坏，使用保护性胶囊十分必要。

进一步探讨使用藻类马达在胃肠道递送治疗药物的可行性。Dox（阿霉素）是一种常用的一线化疗药物，被选为模型药物有效载荷。荧光和扫描电镜成像都证实了NP（Dox）与藻类的有效结合。

藻类NP（Dox）可以抑制B16F10黑色素瘤细胞系的体外生长。在加载到藻类马达上后，NP（Dox）有效载荷依然保持其细胞毒性活性。将藻类-NP（Dox）和NP（Dox）都装入保护胶囊中，以相同的剂量给药。与NP（Dox）给药的小鼠的组织匀浆相比，接受藻类-NP（Dox）的小鼠在测试的所有时间点（3、6和9小时）都表现出更高的药物水平。 这些数据进一步支持了使用藻类马达来增强小肠组织中有效载荷的传递和滞留。

未来的研究将侧重于评估藻类马达在药物递送中的潜力，以治疗合适动物模型中的疾病，例如炎症性肠病和细菌性胃肠炎。

五、藻类马达胶囊的体内毒性评价

对于微生物载体的应用，其体内安全性的评价至关重要。在给药后24小时后，对未处理小鼠、单剂量治疗小鼠和多剂量治疗小鼠进行了全面的血液化学检查和血细胞计数，结果如图A和B。与未经治疗的对照小鼠相比，接受莱茵衣藻纳米马达胶囊治疗的小鼠中所有血清生化标志物和血细胞（红细胞、白细胞和血小板）的数量保持在正常水平。在长期安全性研究中，多剂量小鼠也得到相同的结果， 由此观察到代谢生物标志物和血细胞指标的微小变化中可以发现蓝藻胶囊的毒性可以忽略不计。

口服给药24小时后，对未处理小鼠和藻类马达胶囊给药的小鼠的胃肠道不同代表性部分进行组织学分析，结果显示，肠道结构完整，没有免疫细胞浸润到粘膜或粘膜下层。小鼠的主要器官的H&E染色组织切片上也没有观察到明显的炎症或病理变化。这些结果表明，莱茵衣藻纳米马达胶囊可以安全地用于口服药物给药。

03  总结与讨论  

作者开发了一种藻类胶囊系统，用于有效的肠道靶向和延长组织滞留。与镁基马达相比，藻类马达在胃肠液中显示出持久的推进力，使药物在胃肠道中显示出更广泛的分布和更强的滞留，用于口服给药治疗潜在的胃肠疾病和病症，并显示出良好的安全性。

目前用于解决关键医疗保健问题的微生物基微马达的开发仍处于起步阶段。尽管各种体外研究已经说明了基于细菌的药物递送系统的可开发性，但考虑到致病性或免疫原性等因素，其在体内使用存在重大风险。基于金属的微型马达在胃肠道环境中寿命较短，限制了其药物载荷在胃肠道的分布和留存；微藻作为一种替代递送系统，具有非致病性，在生物杂交系统的开发中具有重大意义。     

藻类马达胶囊制剂的主要特性在于其持久的自推进，可用于胃肠道疾病治疗或诊断等领域的微机器人生物医学应用。可以进一步赋予藻类马达更多的功能，以提高其对胃肠道输送应用的实用性。如，加入成像剂可以直接可视化藻类在肠道内工作时的运动。又或通过将磁性微粒共轭到藻类表面，通过外加磁场来精确地引导藻类马达到达目标部位。虽然目前的工作重点仍然是证明藻类马达胶囊在增强肠道药物递送方面的潜力，但未来的工作将需要确认该平台在临床相关疾病模型中的治疗优势，例如细菌胃肠道感染，肠易激性疾病或结肠癌等等。胶囊的性质也可以调整为更精确地靶向胃肠道的特定区域。      

总体而言，藻类马达胶囊可以应用于广泛的生物医学研究，值得更多的投入和开发。