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Nano Lett. | 基于形状和刚度可控的α-乳白蛋白纳米管克服肠道粘液屏障以提高姜黄素生物利用率的机制研究


英文原题:Enhanced Transport of Shape and Rigidity-Tuned α‑Lactalbumin Nanotubes across Intestinal Mucus and Cellular Barriers

通讯作者:李媛,中国农业大学;施兴华,国家纳米科学中心

作者:Cheng Bao, Bin Liu, Bin Li, Jingjing Chai, Liwei Zhang, Lulu Jiao, Dan Li, Zhengquan Yu, Fazheng Ren, Xinghua Shi*, and Yuan Li*


近日,中国农业大学食品学院李媛副教授(点击查看介绍通过可控酶解和纳米自组装技术制备出形状及刚度可控的α-乳白蛋白纳米管。这种纳米管材料具有较高的肠道粘液渗透扩散能力,成功克服了肠道粘液及细胞屏障,提高脂溶性姜黄素的生物利用率,并有效促进了姜黄素的结肠抗炎效果。作者进一步通过粗粒化分子模拟解析了纳米管渗透肠粘液的作用机制,为纳米技术在食品营养转化和功能食品开发领域的应用提供了新思路和新方法。该成果近期发表在Nano Letters 上,食品学院李媛副教授和国家纳米科学中心理论室主任施兴华研究员为本文共同通讯作者。博士后鲍诚李斌,博士生刘斌为共同第一作者。

图1. 肠道粘液渗透示意图及自组装、运动轨迹,肠道渗透,生物利用率和结肠炎干预表征


食品活性因子需要克服肠屏障阻碍才能得以被血液吸收。肠道粘液屏障是由高度糖基化的粘蛋白(Mucin)组成的相对疏水的凝胶网络,只有优异的递送载体才能够自由地在粘液层中穿透扩散,从而使荷载活性因子快速跨过粘液屏障到达细胞层吸收。因此,设计和探究可以快速渗透肠道粘液屏障的纳米载体对于提高活性因子的吸收率和作用效果尤为重要。


载体的形状、大小和刚度影响载体克服肠道粘液的能力。研究发现,粒径较小、形状为棒状的纳米颗粒,可有效避免空间位阻及粘液的捕获,提高肠上皮细胞的吸收。然而基于无机材料所制备的载体很难精确调控其形状和刚度。本研究采用食源性牛奶蛋白制备了高度安全性和生物兼容性的系列α-乳白蛋白纳米载体。通过纳米自组装技术获得球状和管状形状可调的载体,并通过控制交联度获得了不同刚度的载体。其精确可调的形状、大小和刚度有利于我们探究和筛选穿透肠粘液屏障的最优体系。研究发现长度较短,相对柔软的纳米管(SNT)在粘液中表现出最优的扩散渗透特性,且具有最高的细胞摄取和跨膜转运能力。小鼠体内药代动力学结果显示SNT荷载的姜黄素表现出最高的生物利用度,是游离的6.85 倍。更重要的是荷载于SNT中的姜黄素对溃疡性结肠炎的表现出最佳干预效果。

图2. 不同性质纳米管载体在粘液渗透的粗粒化分子模拟结果


为进一步解析SNT高效渗透的机理,施兴华研究员建立了粘蛋白交联网络和不同刚度长度的纳米管模型,进行了粗粒化分子模拟。模拟结果和实验结果趋势一致,发现纳米管在交联网络呈现非布朗运动,在交联网络较密的地方呈现局部震荡(jiggling),在稀疏的地方是跳跃式扩散(flying)。SNT因为刚度较低,并且长度较短,更容易形变,从而可以匹配交联网络的结构,不仅在局部震荡的幅度较大,而且更容易在网格之间进行扩散。通过粗粒化分子模拟的分析结果表明交联粘液网络的多分散性以及SNT的各向异性和易变形性是其快速扩散的主要原因。这部分研究成功解析了SNT高效渗透的分子机制,为纳米载体提高活性因子吸收率奠定了理论基础。


该研究工作受到了国家自然科学基金委(31471577, 31772014, 31972202)、北京市科委北京市科技新星计划(Z181100006218071)以及北京市食品营养与人类健康高精尖创新中心的支持。


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Enhanced Transport of Shape and Rigidity-Tuned α-Lactalbumin Nanotubes across Intestinal Mucus and Cellular Barriers

Cheng Bao, Bin Liu, Bin Li, Jingjing Chai, Liwei Zhang, Lulu Jiao, Dan Li, Zhengquan Yu, Fazheng Ren, Xinghua Shi*, Yuan Li*

Nano Lett., 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04841

Publication Date: January 6, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society


导师介绍

李媛

https://www.x-mol.com/university/faculty/72315


(本稿件来自ACS Publications


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