本研究受清道夫的进食行为启发，基于电喷微流控制备了具有分子筛功能的壳和解毒功能的碱性磷酸酶（ALP）核，用于对肠道LPS的解毒。微胶囊可以吸收LPS，同时抑制消化酶的渗透，这种能力有助于在肠道复杂的消化环境中发挥蛋白酶的功能，这使肠道清道夫胶囊成为治疗LPS相关疾病的理想候选。

01、研究内容简介

代谢综合症（MetS）是与肥胖，2型糖尿病，高血压，动脉粥样硬化和非酒精性脂肪肝相关的复杂综合症，对医疗和经济造成了沉重负担。随着现代生活中饮食习惯的改变，特别是高脂肪和高糖（HFHS）饮食，促进了LPS的经肠吸收，MetS的发病率和严重性随着LPS摄入量的增加而提高。LPS被认为是MetS发病机理的关键。到目前为止，临床上已经采用了包括化学药物，血液滤过和生物大分子在内的几种方法来清除LPS并治愈疾病。其中，生物大分子（特别是ALP）是最有吸引力的候选者，因为它们具有通过去磷酸化使LPS解毒的能力。但是，直接注射或口服补充ALP蛋白会导致其在体内的停留比较短暂以及有效活性成分的损失。这与复杂的消化系统和代谢环境一起限制了ALP的效率和临床应用，因此，一种可以在肠中连续工作的酶的新策略仍有待开发。在本文中，受清道夫的滤食行为启发，我们提出了一种具有清道夫类分子筛壳和ALP核的新型微胶囊，如图1所示。在自然界中，清道夫可以通过过滤来提取食物，通过捕食来净化环境，这可以通过设计功能性微胶囊来模仿。

Figure 1. Design and fabrication of the intestinal scavenger microcapsule. Schematic illustration of the fabrication and application of the microfluidic encapsulated porous A-microcapsules. The shell of the microcapsules could protect the contents in stomach and degrade in gut to form a precisely controlled porous structure which allowed the permeation of LPS and prevented the traverse of digestive enzymes.

在一个典型的实验中，用同轴电喷毛细管微流控芯片（图2A）制造了ALP封装的微囊。由于流体动力聚焦，在流动过程中，外相的海藻酸钠以及聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）将内部的CMC-ALP包裹。然后，在电场内形成液滴，并将其喷雾到包含2％CaCl2的UV区域中。海藻酸盐和PEGDA的快速胶凝可以立即固化微囊的壳结构，并将ALP包裹在核中以形成核壳结构（图2B）。然后，可以通过用乙二胺四乙酸二钠盐去除藻酸盐来制造多孔壳。随后，在场发射扫描电子显微镜下进一步观察了微胶囊的特性（图2C-F），结果提示核壳结构的形成以及壳层表面经过处理出现了微小的孔洞。

Figure 2. Fabrication and characterization of the microcapsules. A) The real-time image of the microfluidic electrospray process. B) Bright field microscope images of the A-microcapsules. C-F) SEM images of the (C) A-microcapsule, (D) half dissected microcapsule, (E) the surface of shell, and (F) the outer surface of alginate- removed porous shell. Scale bars in (B) is 200 μm, in (C) is 50 μm, in (D) is 75 μm, in (E) and (F) is 2 μm.

Figure 3. Cross-section and surface of different ratios of PEGDA and alginate composed gel under SEM. A) The surface of gels with different ratios of alginate and PEGDA. B) The cross-section of gels with different ratios of alginate and PEGDA.

在胃液的低pH环境中，微胶囊能够保持完整以保护内容物免疫破坏，此时微胶囊并不具备分子筛作用。当微胶囊处于肠道的弱碱性环境中时，海藻酸盐会降解，在壳层产生微小孔洞，从而导致分子筛作用的产生。此外，通过调节藻酸盐和PEGDA的比例，可以精确控制壳中孔的大小以充当分子筛（图3）。因此，我们可以调整材料的比例以构建合适的分子筛壳，从而允许LPS的吸收并抑制消化酶的渗透。

Figure 4. Characterization of the molecular sieving system. A) Schematic illusion of the mechanism of molecular sieving system. B) Permeation of LPS in different microcapsules. C) Permeation of GFP in different microcapsules. D) The quantification of absorbed LPS in B). E) The quantification of permeated GFP in C). ** for P<0.01 and *** for P<0.001.

为了鉴定微胶囊分子筛的能力，本文制备了具有不同比率的藻酸盐/ PEGDA的微囊，并用LPS-FITC和GFP进行培养，在共聚焦显微镜下对所得的微胶囊进行表征。我们认为，随着藻酸盐的增加，可以制造和扩大孔，这可以调节具有不同分子量的分子的渗透（图4A）。共培养1小时后，4％，12％和20％的组显示LPS-FITC的摄入量显着增加，这意味着小分子的渗透。由于分子量相似，GFP被用来模仿消化酶。就GFP而言，它在0％，1％，4％和12％的组中没有显示出明显的渗透，表明对消化酶具有潜在的保护作用。但是，20％组的微囊在相同时间内显示出更多的GFP渗透，这意味着藻酸盐百分比的增加导致了更大的分子的渗透（图4B-D）。定量结果提示分子筛微胶囊的成功形成，其促进了小分子（例如LPS）的渗透，但阻碍了大分子（例如消化酶）的穿透。

本文构建了基于电喷微流控的微胶囊以预防LPS诱导的MetS。该研究证实了通过调节材料的配比以构建不同大小的孔洞，可以形成分子筛效应。由于其能够维持内容物活性，同时允许特定大小分子进入，使其具备广阔的生物应用前景。期待这一领域的生物材料可以得到不断开发和深入研究，以推动生物材料在医学临床的转化和快速发展。

02、论文第一/通讯作者简介

通讯作者：赵远锦

南京大学/鼓楼医院教授，博士生导师，科技部重点专项首席科学家，国家“万人计划”科技领军人才，国家优青，江苏省杰青，英国皇家化学会(RSC) Fellow。现在的主要研究方向有生物材料与组织工程、人造器官与仿生器官芯片、微流控等。已发表SCI论文247篇，其中96篇发表于IF大于10的国际权威期刊，论文IF之和大于2500，被引用9200余次（H因子为49）；第一作者/通讯作者论文包括7篇Nature / Science子刊、5篇PNAS、以及19篇IF大于20的论文等；研究成果共申请专利118项，获授权50项，转让2项。先后获得“中国化学会青年化学奖”、“中国新锐科技人物”、以及“中国化学会-杰出青年科学家”等奖项。

通讯作者：柴人杰

东南大学生命科学研究院三级教授，博士生导师，国家优青；现任中国生物物理学会听觉、言语与交流分会副会长；中国生理学会干细胞与神经分会秘书长，常务理事；国际耳内科医师协会执委；中国听力医学发展基金会专家指导委员会常务委员；中国老年医学学会耳科学分会常务委员；常务理事和生物医药专委会副主委，秘书长；江苏省发育生物学会常务理事，青年委员会主委和听觉科学专委会主委；江苏省双创联合会常务理事和生物医药专委会副秘书长；中国研究型医学会神经再生与修复专委会委员；江苏省神经生物学会理事。

03、资助信息

该研究得到了中国科学院战略重点研究计划（XDA16010303），中国国家重点研究开发计划（2020YFA0908200），国家自然科学基金（No. 61927805，52073060），自然科学的支持 江苏省基金（BE2019711），中国博士后科学基金（2019M663108、2019M653061）和广东省基础应用研究基金项目（2019A1515110925、2019A1515111155）。

04、原文信息

Cheng Zhaoa,d, Guopu Chena, Huan Wanga,c, Yuanjin Zhaoa,c,*, Renjie Chaia,b,c,*. 

Bio-inspired intestinal scavenger from microfluidic electrospray for detoxifying lipopolysaccharide. 

Bioactive Materials 6 (2021) 1653-1662.