炎症性肠病（Inflammatory bowel disease，IBD）是一种困扰全球患者的慢性顽疾，其特征是肠道持续炎症、免疫反应失调及菌群紊乱。现有疗法多聚焦于抑制免疫或调节菌群，然而肠道上皮屏障的严重受损，往往导致炎症失控，治疗效果受限。因此为了抑制IBD，一种潜在的解决方案是通过同时调节肠道和免疫反应来重塑肠道干细胞（Intestinal stem cells，ISCs）生态位，以重新编程干细胞的再生潜力，进而促进肠道上皮屏障修复。

四川大学高分子科学与工程学院的杨伟教授团队与西南交通大学医学院周绍兵教授于2025年3月在ACS Nano（IF=15.8）上发表了题为“Inflammatory Microenvironment-Responsive Microsphere Vehicles Modulating Gut Microbiota and Intestinal Inflammation for Intestinal Stem Cell Niche Remodeling in Inflammatory Bowel Disease”的文章。文章开发了一种炎症微环境响应性微球载体（IRMVs），提出通过重塑ISCs生态位，同步调控肠道免疫与菌群，从根本上修复受损屏障、重启干细胞再生潜能，为IBD治疗带来全新策略！

研究团队运用质谱流式、转录组学、代谢组学、16s rRNA测序等多组学技术，全面系统的揭示了IRMVs的作用机制：

? 抑制炎症风暴：显著降低促炎细胞比例，下调促炎因子及炎症通路活性；

? 重塑健康菌群：恢复肠道菌群多样性，纠正菌群失调；

? 激活修复代谢：上调抗炎代谢物（如褪黑素），激活精氨酸代谢通路，促进上皮修复；

? 多靶点协同： 以上效应共同作用，重塑肠道干细胞生态位，促进上皮屏障再生！

其中质谱流式、转录组测序、非靶代谢组学以及16srRNA测序等服务均由诺禾致源提供。

研究思路

研究结果

1.炎症微环境响应微球载体的设计和制备

通过对GSE59071数据分析，发现与非活动期的溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）患者以及健康对照组相比，活动期的UC患者结肠活检样本中CD44 mRNA的表达显著升高，且高表达CD44的UC患者IFN-γ响应、TNF-α/NF-κB信号通路显著激活，因此将CD44作为炎症标志物，为后续靶向设计提供依据。通过透明质酸（Hyaluronic acid, HA）可靶向CD44的特征，通过乳化法制备载有二维纳米颗粒（Mxene）和L-精氨酸（L-arginine）的微球颗粒，利用聚多巴胺（Polydopamine, PDA）对微球表面进行修饰以增强微球在体内递送的稳定性，最终得到可递送且可在结肠富集的微球P@GH@ML（IRMVs）。

图1 炎症微环境反应的微球载体的设计及制备

A. GSE59071数据中不同患者的CD44 mRNA表达比较；B-C. KEGG通路富集分析；D. GSEA分析；E-F. IRMVs微球的制备流程及作用机制示意图；G-S. IRMVs微球的表征。

2.IRMV微球载体对IBD有良好的治疗效果

通过葡聚糖硫酸钠（Dextran Sodium Sulfate, DSS）诱导IBD小鼠模型，相较于疾病模型小鼠，IRMVs治疗组小鼠体重下降幅度显著降低，并且疾病活动指数（Disease activity index, DAI）降低。除此之外，IRMVs治疗组小鼠结肠长度恢复，H&E染色显示隐窝结构完整，炎症细胞浸润减少，病理评分降低60%，TUNEL染色显示IRMVs组凋亡细胞减少，髓过氧化物酶（Myeloperoxidase，MPO）活性下降，这些结果表明，微球通过抗凋亡和抑制免疫细胞浸润减轻炎症。免疫荧光显示IRMVs组促炎因子（TNF-α、IL-6）表达下调，抗炎因子（IL-10、TGF-β）上调，Masson染色显示IRMVs组胶原沉积减少，表面微球可以平衡促炎/抗炎因子，重塑免疫稳态，也可抑制炎症相关的纤维化进程。

图2 IRMV微球载体对IBD的治疗效果

A. DSS诱导IBD小鼠模型及治疗流程示意图；B-F. IRMVs微球对IBD疾病小鼠的治疗效果；G-J. TUNEL染色；K-L. 免疫荧光染色；M. Masson染色

3.IRMVs对肠道菌群与代谢的调控

主坐标（Principal coordinate analysis, PCoA）分析和β多样性热图显示IRMVs组肠道菌群结构与健康组相似，与DSS组相差甚远，表明IRMVs微球可以恢复菌群多样性，纠正菌群失调。此外代谢组学数据分析显示IRMVs组抗炎代谢物（如褪黑素）上调，精氨酸代谢通路激活，表明IRMVs微球可以通过影响肠道代谢来促进肠道上皮的修复。

图3 IRMVs对肠道菌群与代谢的调控

A-G. 16s rRNA测序；H. 宏基因组测序；J-L. 代谢组学分析

4.IRMVs对免疫稳态的调节

取口服IRMVs疾病小鼠的外周血样本进行质谱流式检测，与DSS组相比，IRMVs治疗组中的Ly-6G+MDSCs显著性降低，表明用IRMVs处理的小鼠炎症水平降低；此外在IRMVs治疗组中观察到CD11c+CD80+DCs和效应T细胞比例降低，表明IRMVs微球载体有效抑制了适应性免疫的过度激活。此外转录组分析显示，IRMVs组中促炎基因（Cxcr2，Ccr1，Mmp9）下调，PI3K-AKT通路抑制，表明微球通过调控信号通路减少免疫细胞浸润。此外免疫荧光染色的结果也证实了IRMVs组结肠组织中Ly6G+中性粒细胞和CD11c+MHCII+ DCs减少，CD4+/CD8+ T细胞比例恢复。

图4 SCT IRMVs对免疫稳态的调节

A-G. 质谱流式分析；H-L. 转录组学分析；M-O. 免疫荧光染色分析

5.IRMVs促进ISC增殖，修复上皮屏障

通过对GSE59071数据分析显示活动期UC患者Lgr5表达降低，且Lgr5的表达与干性指数呈正相关。GSEA结果显示，与炎症和凋亡相关的基因在Lgr5低表达的患者中富集。TNF、CASP4、IL6和SAT1的表达变化对凋亡途径的变化产生了显著影响，这些基因的表达水平与Lgr5的表达呈负相关，这些结果表明Lgr5+肠干细胞在IBD的病理进展中起着重要作用。IRMVs处理疾病小鼠，使得PCNA和Ki67表达升高，Lgr5、Ephb3等ISC标志物上调，干细胞特性评分恢复，表明IRMVs可促进ISCs的增殖，有助于上皮屏障的修复。此外，IRMVs可抑制MAPK以及PI3K-KT信号通路的激活，抑制促凋亡基因的表达，抑制细胞的凋亡。IRMVs的处理也显著缓解了上皮细胞功能受损，如紧密连接蛋白ZO-1表达的减少和Paneth细胞数量的下降。

图5 IRMVs促进ISC增殖，修复上皮屏障

A-E. GSE59071数据分析活动期UC患者的Lgr5的表达；F-I. 免疫荧光分析及转录组测序数据分析；J-M. GSEA分析；N-Q免疫荧光及免疫组化分析；R. IRMVs作用机制示意图

6.IRMVs在疾病进展期仍具显著疗效

为了进一步检测IRMVs对IBD的治疗效果，在利用DSS处理5天后，对小鼠进行口服IRMVs处理，IRMVs可有效缓解IBD的症状，包括结肠缩短，体重减轻，结肠上皮损伤，细胞凋亡等。此外IRMVs处理也降低了促炎因子TNF-α和IL-6的水平，同时增强了抗炎因子IL-10和TGF-β的表达。TUNEL、MPO活性及ROS检测显示凋亡和氧化应激减轻，SOD/GSH活性恢复，Occludin表达升高，结果表明，IRMVs可通过抗氧化可抗炎机制来实现IBD的治疗。

图6 IRMVs在疾病进展期仍具显著疗效

A. DSS诱导IBD小鼠模型及治疗流程示意图；B-E. IRMVs微球对IBD疾病小鼠的治疗效果；F-G. 免疫组化分析及统计；H-I. TUMEL的检测与统计；J-K. MPO的检测与统计；L. 炎症因子表达统计分析；M-Q. DHE，ROS，SOD，GSH，CK18以及Occludin的表征及统计分析

研究结论

研究成功开发了一种炎症微环境响应性微球载体（IRMVs），通过靶向递送MXene和L-精氨酸，实现以下核心效果：

1.多机制协同治疗：MXene清除ROS稳定免疫稳态，L-精氨酸生成NO调节菌群，二者协同抑制炎症并促进上皮修复。

2.生态位重塑：微球通过调控肠道菌群-免疫-代谢轴，恢复ISCs增殖分化能力，为IBD治疗提供了“修复-再生”一体化策略。

3.临床转化潜力：微球的结肠靶向性和低毒性（H&E显示主要器官无病理损伤）为其未来临床应用奠定基础。