負載鳙魚肽的殼聚糖/三聚磷酸鈉和殼聚糖/亞麻籽膠復(fù)合納米顆粒的穩(wěn)定性和生物相容性評價

鄭昌亮，陳夢婷，汪 蘭，曲映紅，施文正，石 柳，陳 勝，喬 宇，李 新，郭曉嘉，吳文錦,，楊玉平

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工與核農(nóng)技術(shù)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流技術(shù)重點實驗室，湖北 武漢 430064；2.上海海洋大學食品學院，上海 201306；3.武漢藥品醫(yī)療器械檢驗所，湖北 武漢 430075）

近年來，多肽類藥物因其靶向性和治療效果優(yōu)于化學藥物且副作用少而備受關(guān)注[1]。多肽類藥物常以口服的形式進入體內(nèi)。然而，多肽的滲透效率有限，口服后生物利用度低，嚴重阻礙了多肽的利用[2]。為解決這些問題，人們開發(fā)了各種納米和微米尺度的多肽遞送體系。近年來用于多肽遞送的主要有聚合物型[3-4]、脂質(zhì)體型[5-6]、乳液型[7-8]、無機顆粒型[9-10]、蛋白納米顆粒型[11]等。殼聚糖是一種陽離子天然多糖，由于殼聚糖（chitosan，CS）存在帶正電荷的氨基，其酸溶性溶液富含陽離子電荷，因此可以與帶負電的交聯(lián)劑、多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)發(fā)生分子間靜電吸引，用以包埋遞送一些生物活性成分[12]。

封裝生物活性的納米顆粒在食品加工中不可避免地暴露在不同的環(huán)境條件下，除了一些本征參數(shù)外，離子強度、pH值、貯藏時間對納米顆粒也有一定的影響[13]。一般認為納米顆粒的Zeta電位絕對值大于30 mV便可認為具有優(yōu)異的穩(wěn)定性[14]，在長時間儲藏中不會發(fā)生解聚等現(xiàn)象；pH值會影響CS的質(zhì)子化程度，進而對納米顆粒的穩(wěn)定性有一定的影響，為了確保溶液中聚陰離子與聚陽離子足夠多，pH值應(yīng)控制在兩種聚合物的pKa之間[15]；鹽的存在會減弱靜電作用的強度。Costalat等[16]提出了一種通過調(diào)節(jié)體系中鹽濃度制備CS聚合物的新型可控組裝工藝，高濃度NaCl用于溶解聚電解質(zhì)溶液，當混合兩種聚電解質(zhì)溶液時，由于電解質(zhì)的靜電吸引力作用而沒有發(fā)生絡(luò)合。隨后利用透析緩慢消除NaCl后，兩個對應(yīng)物之間的靜電相互作用逐漸恢復(fù)，并形成絡(luò)合物。

制備負載多肽的CS納米顆粒必須通過胃腸道進行轉(zhuǎn)運吸收，因此納米顆粒必須進行細胞毒性實驗以評估納米顆粒的安全性；其次，腸道的轉(zhuǎn)運、滲透、內(nèi)化量也是評估納米顆粒性能的重要指標。納米顆粒的Zeta電位和粒徑與滲透吸收密切相關(guān)，納米顆粒粒徑越小越容易通過腸細胞黏液層；其次，Zeta電位值越大更易與帶負電荷的黏蛋白糖基發(fā)生靜電相互作用而黏附在上皮細胞上，延長它們在吸收位點的停留時間以增加其生物利用度[17]。Caco-2細胞是一種人克隆結(jié)腸腺癌細胞，具有與分化小腸上皮細胞類似的結(jié)構(gòu)和功能，包括微絨毛以及小腸刷狀緣上皮相關(guān)的酶系，因此在進行體外細胞實驗時可以用來模擬體內(nèi)腸轉(zhuǎn)運現(xiàn)象。除此之外，HT-29細胞也常作為研究納米顆粒體內(nèi)滲透的模型。Kim等[18]采用Caco-2和HT-29共同評價CS納米顆粒的跨細胞轉(zhuǎn)運能力，發(fā)現(xiàn)采用高分子質(zhì)量的交聯(lián)劑所制得的納米顆粒具有較高的黏附性和跨細胞滲透性。

本研究主要探究離子強度、pH值、模擬消化和貯藏時間對制備的負載鳙魚肽（bighead peptides，BCP）殼聚糖/三聚磷酸鈉（chitosan/sodium tripolyphosphate-bighead peptides，CS/TPP-BCP）和殼聚糖/亞麻籽膠（chitosan/flaxseed gum-bighead peptides，CS/FG-BCP）納米顆粒的影響，并以Caco-2細胞為模型，評估CS納米顆粒處理的胞外乳酸脫氫酶（lactatedehydrogenase，LDH）的含量、體內(nèi)抗氧化能力和細胞攝取度，以期為多肽類食品藥物的工業(yè)化應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

Caco-2細胞 尚恩生物技術(shù)有限公司；血清 德國Pan Biotech公司；DMEM培養(yǎng)基 賽默飛世爾科技（中國）有限公司；CS（脫乙酰度≥85%）上海麥克林生化科技有限公司；三聚磷酸鈉（sodium tripolyphosphate，TPP）（分析純）南京化學試劑有限公司；BCP（分子質(zhì)量＜5 kDa）、亞麻籽膠（flaxseed gum，F(xiàn)G）為實驗室自制；活性氧（reactive oxygen species，ROS）檢測試劑盒、LDH細胞毒性檢測試劑盒 上海碧云天生物技術(shù)有限公司；異硫氰酸熒光素（fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC）北京博奧森生物科技有限公司；磷酸鹽緩沖液（phosphate buffered saline，PBS）莫納生物科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

Mastersizer 2000激光粒度儀 英國Malvern公司；IX81熒光顯微鏡 日本Olympus公司；Infinite M200 Pro多功能酶標儀 瑞士Tecan公司；FORMA 371二氧化碳培養(yǎng)箱 美國Thermo Fisher公司；LSM700激光掃描共聚焦顯微鏡 德國蔡司公司。

1.3 方法

1.3.1 CS納米顆粒的制備

1.3.1.1 CS/TPP納米顆粒的制備

根據(jù)實驗室前期優(yōu)化的結(jié)果制備[19]，將CS溶于質(zhì)量分數(shù)為1%的冰醋酸中，攪拌過夜得到CS溶液。用濃度為1 mol/L的NaOH溶液將CS溶液的pH值調(diào)整為4，并勻速滴加質(zhì)量濃度為2 mg/mL的BCP，使CS與BCP質(zhì)量比為1∶1。然后在磁力攪拌下以CS與TPP質(zhì)量比為6∶1勻速滴加質(zhì)量濃度為0.8 mg/mL的TPP溶液，并調(diào)整前后pH值使其保持一致，室溫下繼續(xù)磁力攪拌30 min，獲得BCP的CS納米顆粒懸浮液。

1.3.1.2 CS/FG納米顆粒的制備

參考Rajabi等[20]制備CS/阿拉伯膠納米顆粒的方法簡要修改，將20 mL 0.5 mg/mL CS溶液置于燒杯中，在磁力攪拌下將BCP以1∶1（m/m）的比例加入CS溶液中攪拌，然后加入40 mL 0.5 mg/mL FG溶液，攪拌15 min，以制備負載BCP的CS/FG納米顆粒。

1.3.2 物理穩(wěn)定性分析

1.3.2.1 pH值穩(wěn)定性

用1 mol/L的HCl和NaOH溶液將制備的兩種CS納米顆粒懸浮液的pH值分別調(diào)整到1.5、2、3、3.5、4、5、6、7，室溫放置過夜后測量納米顆粒的Zeta電位值、粒徑和濁度并觀察外觀形貌。

1.3.2.2 離子強度穩(wěn)定性

將制備好的兩種CS納米顆粒的懸浮液和BCP溶液與等體積不同濃度的NaCl溶液混合，最終使得NaCl溶液的濃度分別為0、50、100、150 mmol/L和200 mmol/L，過夜后測量納米顆粒的Zeta電位和粒徑值。

1.3.2.3 模擬消化穩(wěn)定性

參考欒曉旭等[21]制備模擬消化工作液的方法并簡要修改。取稀鹽酸16.4 mL，加去離子水800 mL，加入胃蛋白酶10 g，搖勻后加水稀釋成1 000 mL即得模擬胃液。取磷酸二氫鉀6.8 g，加水500 mL溶解，用0.1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至6.8。另取胰蛋白酶10 g，加水溶解后將兩液混合，然后稀釋至1 000 mL即為模擬腸液。將模擬胃液和腸液與納米顆粒和多肽等體積混合后分別置于37 ℃水浴振蕩，固定時間取樣1 mL測Zeta電位值和粒徑值。

1.3.2.4 貯藏穩(wěn)定性

將制備好的兩種CS納米顆粒懸浮液和多肽溶液置于室溫放置，分別在第0、7、14、21、28天測量Zeta電位值和粒徑值。

1.3.3 細胞實驗

1.3.3.1 LDH活力檢測

將Caco-2細胞培養(yǎng)于96 孔板（5×104個/孔）中，在37 ℃下孵育4 h，取每孔0.5 mL，1×105個/mL的細胞懸液接種于12 孔板中，在5% CO2、37 ℃和95%相對濕度的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后，根據(jù)實驗分組的情況進行處理和培養(yǎng)。培養(yǎng)結(jié)束后收集細胞培養(yǎng)的上清液，根據(jù)試劑盒的操作步驟進行LDH活力的檢測[22]。

1.3.3.2 細胞內(nèi)ROS含量檢測

調(diào)整細胞懸液濃度至1×105個/mL，每孔1 mL接種于12 孔板中，于37 ℃、5% CO2細胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h，根據(jù)實驗分組情況（空白對照、H2O2處理、CS/TPP-BCP＋H2O2處理、CS/FG-BCP＋H2O2處理、CS/TPP-BCP處理、CS/FG-BCP處理）進行處理和培養(yǎng)。培養(yǎng)完成后，棄上清液，用PBS洗2 遍，每孔加入100 μL胰酶于培養(yǎng)箱中消化2 min，加入1mL培養(yǎng)基吹打收集細胞，2 000 r/min離心3 min，去上清液，再用PBS洗2 遍，加入200 μL 10 μmol/L 2,7-二氯熒光素二乙酸酯溶液37 ℃避光反應(yīng)30 min，2 000 r/min離心5 min后棄上清液，PBS洗2 遍，用500 μL PBS重懸細胞，最后用倒置熒光顯微鏡觀察細胞中的熒光強度，激發(fā)波長為488 nm，發(fā)射波長為525 nm。

1.3.3.3 細胞內(nèi)化能力檢測

使用與1.3.1.1和1.3.1.2節(jié)中相同的方法制備FITC標記的CS納米顆粒，不同的是采用FITC標記肽，參考ZhaoYuanhui等[23]的方法進行標記。

以5×105個/孔的密度培養(yǎng)Caco-2細胞，將納米顆粒孵育2 h。取出樣品，然后用預(yù)熱的PBS洗滌細胞。將洗滌后的細胞固定在4%多聚甲醛溶液中，并用碘化丙啶（propidium iodide，PI）復(fù)染后使用LSM700激光掃描共聚焦顯微鏡檢查細胞。其中，激發(fā)波長為488 nm，發(fā)射波長為525 nm。

1.3.4 粒徑、電位的測定

參考Butstraen等[24]的方法并簡要修改。通過基于動態(tài)光散射方法對BCP的CS納米顆粒進行表征。測量前將BCP的CS納米顆粒懸浮液用去離子水稀釋10 倍，取0.8 mL樣品于25 ℃下使用粒徑電位儀測量電位。取未稀釋的懸浮液1 mL測量粒徑和多分散性指數(shù)（polydispersity index，PDI），平衡時間為60 s。

1.3.5 濁度的測定

取1.3.2.1節(jié)中不同pH值的納米顆粒懸浮液2 mL，使用紫外-可見分光光度計在500 nm波長處測量溶液的濁度，評價樣品溶液的分散穩(wěn)定性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有處理均重復(fù)3 次，使用SPSS程序進行方差分析確定各組之間的差異顯著性，并使用Origin 2018軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值穩(wěn)定性分析

如圖1a所示，隨著pH值的升高，納米顆粒的濁度呈現(xiàn)增長的趨勢，這一變化也體現(xiàn)在外觀圖1b中。當pH值升高到6時出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象，pH值為7時絮凝現(xiàn)象更嚴重，同時由圖1c可知，在pH值為6和7時粒徑增大至1 774.3 nm和2 145.7 nm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與CS的質(zhì)子化有關(guān)。當pH值在6～7時，接近CS的等電點（≈6.5），其質(zhì)子化程度低，粒子間聚集作用增強導(dǎo)致粒子析出[25]。Zeta電位值反映了納米顆粒的穩(wěn)定性，從圖1d可以發(fā)現(xiàn)，在較低pH值下納米顆粒的Zeta電位絕對值均在30 mV以上，說明納米顆粒穩(wěn)定，不會出現(xiàn)聚集絮凝等現(xiàn)象。隨著pH值的逐漸升高，Zeta電位逐漸變小，當pH值為7時出現(xiàn)負值。從Zeta電位值的變化趨勢也可以看出在接近中性環(huán)境下納米顆粒穩(wěn)定性較差。

圖1 pH值對CS/TPP納米顆粒濁度（a）、外觀（b）、粒徑（c）和Zeta電位（d）的影響Fig.1 Effect of pH on turbidity (a),appearance (b),particle size (c) and zeta potential (d) of chitosan/sodium tripolyphosphate nanoparticles

由圖2a可知，與CS/TPP-BCP納米顆粒相同的是隨著pH值的升高濁度也呈現(xiàn)上升趨勢。但是在pH值為3時CS/FG-BCP納米顆粒就出現(xiàn)輕微的混濁（圖2b），可能原因是FG的等電點比CS低。在較低pH值下，羧基會首先質(zhì)子化，從而降低了FG的溶解度，導(dǎo)致納米顆粒析出[13]。圖2c表明粒徑也隨著pH值的升高而增大。從圖2d發(fā)現(xiàn)，pH值小于3時的Zeta電位值均比pH值大于3時高，說明CS/FG-BCP納米顆粒在極酸性條件下比在中性條件下更穩(wěn)定。

圖2 pH值對CS/FG納米顆粒濁度（a）、外觀（b）、粒徑（c）和Zeta電位（d）的影響Fig.2 Effect of pH on turbidity (a),appearance (b),particle size (c) and zeta potential (d) of chitosan/flaxseed gum nanoparticles

2.2 離子強度穩(wěn)定性分析

離子強度對納米顆粒的影響如圖3所示，BCP、CS/TPP-BCP和CS/FG-BCP納米顆粒的初始粒徑值分別為510.2、152.1 nm和136 nm，且粒徑值均隨著NaCl濃度的增加而升高，當NaCl濃度增加至200 mmol/L時，粒徑分別增加至1 013.5、239.5 nm和440.7 nm。溶液中存在的反離子（Na＋和Cl-）會中和納米顆粒上的電荷，削弱液滴之間的靜電排斥，引發(fā)粒子間聚集[26]。與CS/FG-BCP納米顆粒相比，CS與TPP之間的交聯(lián)較強，受離子強度的影響較小，在NaCl濃度從50 mmol/L增加到200 mmol/L過程中粒徑?jīng)]有顯著變化。BCP Zeta電位值對NaCl濃度變化不敏感。兩種CS納米顆粒的Zeta電位絕對值均隨著濃度的增加而降低，Zhu Yiqing等[27]研究NaCl濃度對負載含硒肽黃原膠/溶菌酶納米顆粒穩(wěn)定性的影響時得出與此相同的結(jié)論。Zeta電位絕對值的降低也證實了液滴間靜電排斥減弱，隨著NaCl濃度增加，CS/TPP-BCP納米顆粒的電位絕對值始終高于CS/FG-BCP納米顆粒，這也印證了CS與TPP之間的靜電作用強于FG。

圖3 NaCl濃度對CS納米顆粒Zeta電位（a）和粒徑（b）的影響Fig.3 Effect of NaCl concentration on zeta potential (a) and particle size (b) of chitosan nanoparticles

2.3 模擬消化穩(wěn)定性分析

利用體外模擬消化體系對BCP和兩種CS納米顆粒的穩(wěn)定性進行了評估。如圖4所示，CS/TPP-BCP和CS/FGBCP納米顆粒的Zeta電位值在模擬消化過程中均顯著下降（P＜0.05），證明模擬消化對納米顆粒的穩(wěn)定性具有一定的影響。在模擬消化過程中CS/TPP-BCP納米顆粒的Zeta電位值始終高于CS/FG-BCP納米顆粒，且在模擬消化過程中CS/TPP-BCP納米顆粒的粒徑?jīng)]有顯著變化，這再次證實了CS/TPP-BCP納米顆粒的穩(wěn)定性優(yōu)于CS/FG-BCP納米顆粒，與pH值和離子強度對納米顆粒穩(wěn)定性影響的結(jié)果一致。由于CS/FG-BCP納米顆粒的不穩(wěn)定性，在胃腸的模擬消化過程中粒徑呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。粒徑在模擬胃階段顯著增加，這與胃蛋白酶介導(dǎo)的水解從而降低了納米顆粒表面的靜電排斥有關(guān)[28]。進入模擬腸液后粒徑顯著性降低，且在4 h內(nèi)沒有顯著性變化，這與模擬腸液中胰蛋白酶的存在促進了膠體間結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)[29]。Liu Qianyuan等[26]探究模擬消化對玉米醇溶蛋白/褐藻糖膠基納米顆粒的影響時得出與此相同的結(jié)論。與BCP相比，納米顆粒在模擬消化過程中具有更高的穩(wěn)定性，也說明納米顆粒在一定程度上對BCP具有保護作用。

圖4 模擬消化對不同樣品Zeta電位（a）和粒徑（b）的影響Fig.4 Effect of simulated digestion on zeta potential (a) and particle size (b) of different samples

2.4 貯藏穩(wěn)定性分析

如圖5所示，BCP在貯藏過程中粒徑顯著增加，Zhu Yiqing等[27]研究貯藏時間對含Se肽粒徑的影響時得出與此相同的結(jié)論。與BCP相比，兩種納米顆粒在貯藏過程中Zeta電位值均保持在較高水平，粒徑也沒有顯著變化，說明經(jīng)兩種具有相反電荷的聚合物包封后能夠提高BCP的穩(wěn)定性。

圖5 貯藏時間對不同樣品顆粒Zeta電位（a）和粒徑（b）的影響Fig.5 Effect of storage time on zeta potential (a) and particle size (b) of different samples

2.5 LDH釋放量分析

細胞培養(yǎng)液中LDH含量可以反映細胞膜的破損程度，當細胞膜破損時，存在于細胞質(zhì)基質(zhì)中的LDH就會釋放到細胞培養(yǎng)液中，所以培養(yǎng)液中LDH含量越高表明細胞膜的破損程度越高。由圖6可知，在較低質(zhì)量濃度下，BCP和兩種CS納米顆粒處理后的上清液中LDH含量與對照組沒有顯著差異（P＜0.05），說明在較低質(zhì)量濃度下BCP和兩種CS納米顆粒不會對細胞的生長造成影響，具有較高的生物相容性。

圖6 Caco-2細胞上清液中LDH活力Fig.6 LDH activity of Caco-2 cell supernatant

2.6 細胞內(nèi)ROS含量檢測

細胞內(nèi)的ROS是代謝活動的產(chǎn)物，當體內(nèi)積累過量的ROS時會對機體造成氧化損傷。圖7中綠色熒光的強度反映了細胞內(nèi)ROS含量多少，由圖7可知，經(jīng)H2O2誘導(dǎo)后的細胞內(nèi)產(chǎn)生了較強的熒光，表明細胞內(nèi)存在大量的ROS。當用BCP和兩種CS納米顆粒處理后細胞內(nèi)ROS的含量明顯降低，表明BCP和兩種CS納米顆粒均具有抗氧化能力。與BCP相比，兩種CS納米顆粒處理的細胞內(nèi)ROS含量較低，說明兩種納米顆粒的抗氧化穩(wěn)定性優(yōu)于BCP，這與體外抗氧化實驗的數(shù)據(jù)一致。劉錢媛[30]研究負載紫檀芪的玉米醇溶蛋白-褐藻糖膠納米顆粒時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過負載后納米顆粒的抗氧化能力優(yōu)于未負載的紫檀芪，與本實驗的結(jié)果類似。

圖7 BCP和CS納米顆粒對細胞中ROS含量的影響Fig.7 Effects of BCP and chitosan nanoparticles on intracellular ROS content

2.7 細胞內(nèi)化能力分析

游離肽和兩種CS納米顆粒的細胞熒光圖如圖8所示。與游離肽相比，經(jīng)過CS納米顆粒負載后多肽的熒光強度增加，這表明CS納米顆粒比游離肽更容易被細胞攝取。CS/TPP-BCP納米顆粒熒光強度強于CS/FG-BCP納米顆粒，說明細胞對CS/TPP-BCP納米顆粒的攝取度高于CS/FG-BCP納米顆粒，這可能與CS/TPP-BCP的電位較高有關(guān)（37.3 mV＞20.1 mV）。

圖8 游離肽和CS納米顆粒的細胞熒光圖Fig.8 Fluorescence images of free peptides and chitosan nanoparticles

3 結(jié)論

本研究分析了負載BCP的CS/TPP-BCP和CS/FG-BCP納米顆粒在不同pH值、離子強度、模擬消化和貯藏過程中的穩(wěn)定性。并以Caco-2細胞為模型，探究了兩種CS納米顆粒和BCP對細胞外LDH釋放量和細胞內(nèi)ROS含量的影響，并測定了細胞對兩種納米顆粒的攝取度。具體結(jié)論如下：酸性條件下兩種納米顆粒具有較高的穩(wěn)定性，Na＋和Cl-會削弱液滴之間的靜電排斥，引發(fā)粒子間聚集，經(jīng)CS納米顆粒包封后提高了BCP的穩(wěn)定性；細胞實驗證實了兩種納米顆粒具有較高的生物相容性和體內(nèi)抗氧化能力，增強了BCP在小腸上皮細胞的滲透性。