兒茶素生物醫(yī)用納米材料研究進(jìn)展

俞蓉欣，鄭芹芹，陳紅平，張勁松，張相春*

兒茶素生物醫(yī)用納米材料研究進(jìn)展

俞蓉欣1,2,3，鄭芹芹2,3，陳紅平2,3，張勁松1*，張相春2,3*

1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹生物學(xué)與資源利用國家重點實驗室，安徽 合肥 230036；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所，浙江 杭州 310008；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部茶葉質(zhì)量安全控制重點實驗室，浙江 杭州 310008

兒茶素具有抗氧化、抗腫瘤、抗病毒、抗炎和免疫調(diào)節(jié)等功能，是茶葉中含量豐富的一類生物活性物質(zhì)。由于酚羥基的高活潑性導(dǎo)致兒茶素在生物體外及體內(nèi)極易失去活性，致使其在生物體內(nèi)利用度不高。近年來，納米生物技術(shù)的發(fā)展有望通過配體設(shè)計、精準(zhǔn)合成和智能調(diào)控等策略解決兒茶素低生物利用度的難題，并拓展其在生命健康領(lǐng)域中的應(yīng)用。綜述了近幾年兒茶素生物醫(yī)用納米材料的研究進(jìn)展，重點闡述了兒茶素生物醫(yī)用納米材料的抗腫瘤、抗菌、抗炎、藥物遞送和抗病毒等活性，對兒茶素生物醫(yī)用納米材料的構(gòu)建和生物作用機(jī)制進(jìn)行了探討，并對兒茶素新材料設(shè)計及其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

兒茶素；EGCG；納米材料；生物醫(yī)學(xué)；抗腫瘤

茶為中國傳統(tǒng)飲品，是三大無酒精飲料之一，已成為世界公認(rèn)的天然健康飲料。茶葉中含有豐富的對人體有益的化學(xué)成分，包括茶多酚、茶氨酸、茶多糖、茶色素、咖啡堿以及較豐富的微量元素?，F(xiàn)代科學(xué)研究表明，這些功能成分具有殺菌、抗炎、抗氧化、抗病毒、降脂、預(yù)防心血管疾病和抗腫瘤等生物功能[1-7]。在這些功能性成分中，研究者們關(guān)注最早、研究最多的是茶多酚（Tea polyphenols）。茶多酚是從茶葉中提取的一種以2-苯基苯并吡喃結(jié)構(gòu)為主體的天然多羥基酚類物質(zhì)。茶葉中發(fā)現(xiàn)的多酚類物質(zhì)主要包括類黃酮物質(zhì)（兒茶素；黃酮、黃酮醇類；花色苷類）和酚酸及縮酚酸，占茶葉干重的18%～36%。茶多酚中研究者所關(guān)注的主要功能性成分兒茶素占總多酚含量的70%以上，主要包含表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG）、表沒食子兒茶素（EGC）、表兒茶素沒食子酸酯（ECG）、表兒茶素（EC）等組分[8]。

兒茶素具有抗腫瘤、抗菌、抗氧化、抗病毒、預(yù)防心腦血管疾病和調(diào)節(jié)免疫力等生物功能[9-15]。但是過去幾十年，研究人員對兒茶素的研究大多只關(guān)注于單一功能成分或茶湯等直接處理細(xì)胞或者動物的生物基礎(chǔ)研究。兒茶素含多個酚羥基，其發(fā)揮生物功能的原因之一是酚羥基的高活潑性，使其首先受到外來有害物質(zhì)的攻擊而保護(hù)正常組織不被損傷，從而達(dá)到保護(hù)作用。但是正是由于酚羥基的高活潑性使其體外很容易被氧化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)改變，或者在體內(nèi)與蛋白、金屬、離子聚合而失去生物活性，最終引起其在體內(nèi)生物利用度低[16]。兒茶素的體外不穩(wěn)定性和體內(nèi)生物利用度低等問題仍然是研究者們一直需要解決的難題。

近年來，納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用有望提升茶功能性成分的生物利用度。利用納米技術(shù)將植物天然活性成分或臨床藥物制備的納米顆粒具有極大的比表面積和尺寸效應(yīng)，具有改善藥物溶解性、增強(qiáng)藥物靶向性和緩釋性、提高生物利用率和降低毒副作用等優(yōu)勢，因此得到了材料化學(xué)、生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)界等的極大關(guān)注[17-21]。利用納米生物技術(shù)將茶多酚、茶氨酸、茶多糖等功能性成分構(gòu)建成生物醫(yī)用納米材料具有很好的應(yīng)用前景。目前已有部分研究采用不同材料作為配體，主要有金屬[22]、殼聚糖[23]、脂質(zhì)體[24]等，與茶多酚、茶氨酸等功能性成分構(gòu)建成穩(wěn)態(tài)的茶功能性納米生物材料，可以保護(hù)茶功能成分在運(yùn)輸過程中不降解失活，并且通過功能修飾使其運(yùn)輸?shù)侥繕?biāo)部位進(jìn)行可控釋放，提高了其生物利用率，同時還可以負(fù)載抗腫瘤、抗菌、抗病毒等治療藥物，實現(xiàn)聯(lián)合治療[25]。這些研究為茶功能性成分在生命健康領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了新思路，對茶與健康研究以及茶葉高值化利用具有重大意義。

本文回顧了近年來利用納米生物技術(shù)修飾兒茶素，獲得不同生物功能的新型生物醫(yī)用材料，并評價了這些生物材料在腫瘤、細(xì)菌感染、炎癥和藥物遞送等生命健康領(lǐng)域中的應(yīng)用研究（圖1）。進(jìn)一步對這些新型兒茶素生物材料所涉及的生物功能機(jī)制進(jìn)行了歸納總結(jié)。這些通過配體設(shè)計和功能修飾的生物材料構(gòu)建策略有望解決兒茶素體外易氧化失活以及體內(nèi)生物利用度低等難題。

1 兒茶素生物納米材料抗腫瘤研究進(jìn)展

癌癥是21世紀(jì)威脅人類健康的最大殺手，我國是人口大國，也是癌癥高發(fā)國家，2020年我國新發(fā)病457萬例，占全球癌癥新發(fā)病人數(shù)的23.7%，中國2014年至2018年癌癥死亡人數(shù)由230萬增至260萬，預(yù)計2024年將達(dá)約300萬人[26]。隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，我國腫瘤診療水平得到顯著提升，根據(jù)國家癌癥中心統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國惡性腫瘤的五年生存率已經(jīng)從十年前的30.9%提升到40.5%，但仍遠(yuǎn)低于美國的66%，與美國相比，中國癌癥治療方案更為有限[27]。在中國，化療在腫瘤治療中扮演著重要角色，前十位暢銷腫瘤藥物中有4種為傳統(tǒng)化療藥物，然而，傳統(tǒng)化療效果不佳及其導(dǎo)致副作用等問題仍是我國抗癌路上的絆腳石。因此迫切需要開發(fā)安全、高效的抗腫瘤療法。

兒茶素被認(rèn)定為一種天然、高效、安全的生物活性物質(zhì)，具有高效的抗腫瘤活性。Moseley等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在EGCG濃度為150?μmol·L-1時，甲基化敏感的人結(jié)腸癌細(xì)胞HCT116中DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNMT）和組蛋白去乙?；福℉DAC）蛋白轉(zhuǎn)錄被抑制，降低了在HCT116中的異常表達(dá)，從而抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞生長；Qiao等[29]發(fā)現(xiàn)，EGCG可以通過調(diào)控基因表達(dá)抑制宮頸癌（CaSki）細(xì)胞生長和誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯；CaSki細(xì)胞24?h半抑制濃度為27.3?μmol·L-1，25?μmol·L-1EGCG誘導(dǎo)S期從38.3%顯著增加到46.4%，G2/M期從7.4%增加到16.9%，而G0/G1期從54.2%下降到36.7%，此外，EGCG在CaSki細(xì)胞中將G0/G1期（G0/G1以下）之前的比例從2.24%增加到23.54%；然而，由于EGCG穩(wěn)定性差，在光照、濕熱、堿性等外界條件下容易使分子結(jié)構(gòu)中具有生理活性的酚羥基發(fā)生氧化、縮合、聚合反應(yīng)，極大降低了生物活性，使其應(yīng)用具有很大局限性；在生物體內(nèi)易受pH、金屬離子、酶等生理環(huán)境變化的影響而導(dǎo)致生物活性改變[30]，致使其無法在病灶部位達(dá)到有效濃度發(fā)揮生物活性。為了提高其生物利用度，研究人員往往會提高EGCG的口服或注射濃度，使其到達(dá)體內(nèi)特定部位積累到有效濃度發(fā)揮生理功能。但是，高濃度EGCG劑量容易引發(fā)副作用。Lambert等[31]發(fā)現(xiàn)單劑量EGCG（1?500?mg·kg-1，灌胃）可以使CF-1小鼠的丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（ALT）增加138倍，小鼠存活率降低到85%。同時，該研究也觀察到了高濃度EGCG導(dǎo)致中度至重度肝壞死，并且肝毒性與氧化應(yīng)激相關(guān)，包括肝臟脂質(zhì)過氧化和金屬硫蛋白增加等。Wang等[32]發(fā)現(xiàn)，逐步增加EGCG劑量（1～3?d，55?mg·kg-1；4～8?d，80?mg·kg-1；8～31?d，110?mg·kg-1）可導(dǎo)致亞急性肝功能衰竭伴腹水并發(fā)癥，在試驗32?d測得昆明鼠腹水發(fā)生率為100%，并且檢測到大量的肝細(xì)胞壞死和肝纖維化形成。因此，提高EGCG的給藥濃度并不是提高其體內(nèi)生物利用度的有效策略。

圖1 兒茶素生物醫(yī)用納米材料應(yīng)用示意圖

近年來，納米醫(yī)學(xué)的興起使納米材料在生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，包括藥物靶向遞送、藥物長效緩釋、生物納米分析和基于納米材料的活體多模式成像等[33-35]，這為提高EGCG在生物體內(nèi)利用率和最大化發(fā)揮其生物活性提供了可能。因此，為了充分發(fā)揮EGCG生物活性，提高其在生物體內(nèi)的利用度，很多研究者開始利用納米生物技術(shù)將EGCG進(jìn)行修飾，極大提高了其穩(wěn)定性和生物利用度。如利用多糖、蛋白、聚合物、脂質(zhì)等[36-39]不同材料為載體制備EGCG納米顆粒，提高了其在體內(nèi)的穩(wěn)定性、生物安全性和生物活性。Cheng等[40]構(gòu)建了含有阿霉素（Dox）和EGCG的新型綠茶兒茶素多離子復(fù)合物（PIC）膠束，EGCG和Dox聯(lián)合治療可以保護(hù)心肌細(xì)胞免受Dox介導(dǎo)的心臟毒性。這種PIC膠束由于EGCG對P-糖蛋白（P-gp）活性的調(diào)節(jié)，可以有效逆轉(zhuǎn)癌細(xì)胞的多藥耐藥；Chen等[41]通過Cu2+和溫度介導(dǎo)，EGCG氧化偶聯(lián)組裝，制備了聚合EGCG納米球，可實現(xiàn)阿霉素的高效釋放；Rahim等[42]使用綠茶茶湯與金屬快速組裝成多酚金屬材料；Zhong等[43]利用氧化介導(dǎo)的動力學(xué)策略實現(xiàn)了可調(diào)的多酚金屬網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。這些新興的多酚納米材料豐富了生物醫(yī)學(xué)中材料的設(shè)計與選擇，為生物醫(yī)學(xué)中功能材料的選擇提供了支撐。

1.1 兒茶素脂質(zhì)體/膠束抗腫瘤進(jìn)展

大量研究證實，兒茶素納米脂質(zhì)化后可以有效保持其生物活性，顯著提高對食道癌、腺癌、乳腺癌、黑色素瘤、肝癌等多種癌癥的預(yù)防和治療作用[44-46]。Hu等[47]將EGCG和淀粉樣原纖維進(jìn)行封裝，使EGCG納米粒子可以在pH 2.5～7.0范圍內(nèi)保持活性，并顯著提高EGCG在腸道的通透性和吸收；Smith等[48]利用單相液體共溶法制備出EGCG納米脂類復(fù)合物，EGCG納米脂質(zhì)顆粒的生物利用度是大鼠口服游離EGCG的兩倍以上，且不影響其他攝入物的吸收；Gomes等[49]以麥芽糊精-阿拉伯糖為生物載體，表面涂有蛋黃磷脂酰膽堿/硬脂胺雙層膜制成EGCG納米脂質(zhì)顆粒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與未包覆的納米顆粒相比，脂質(zhì)包覆的納米顆粒能更有效地保留EGCG，提高了EGCG在生理pH下的穩(wěn)定性。納米顆?？梢詼p少EGCG的暴露，減少酶促降解和非酶促降解，延長作用時間，提高生物利用度。Pace等[24]報道，EGCG殼聚糖納米脂質(zhì)體（CSLIPO-EGCG）在10?μmol·L-1濃度下對人乳腺癌細(xì)胞（MCF7）表現(xiàn)出抗增殖和促凋亡作用，而在此濃度下，游離EGCG沒有任何有益作用。與順鉑單獨(dú)給藥相比，Bae等[50]構(gòu)建的HA-EGCG-順鉑膠束材料有更好的抗腫瘤活性，且具有良好的生物安全性，該納米藥物由透明質(zhì)酸和EGCG偶聯(lián)構(gòu)建，用于卵巢癌治療，將這種共軛物和順鉑簡單混合，可誘導(dǎo)具有球狀核殼結(jié)構(gòu)的膠束納米復(fù)合物自發(fā)自組裝，表面暴露的透明質(zhì)酸能夠通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用將順鉑有效地傳遞到跨膜黏附糖蛋白（CD44）過表達(dá)的癌細(xì)胞中。其中，EGCG的抗氧化能力可保護(hù)由順鉑誘發(fā)的氧化應(yīng)激引起的脫靶器官毒性。藥代動力學(xué)和生物分布研究表明，靜脈注射HA-EGCG-順鉑復(fù)合物可增加藥物的體內(nèi)長循環(huán)和在腫瘤部位高效富集。以綠茶兒茶素為基礎(chǔ)的順鉑膠束納米復(fù)合物有望成為一種安全高效的卵巢癌化療藥。

1.2 兒茶素納米金屬復(fù)合物抗腫瘤進(jìn)展

Hsieh等[51]將EGCG與納米金顆粒結(jié)合制備的納米材料具有良好的抗腫瘤功效。在體外抗腫瘤活性試驗中，與對照組相比，EGCG單體和pNG處理組的膀胱癌細(xì)胞（MBT-2）數(shù)量分別減少49.7%和48.1%，而EGCG-pNG處理下膀胱癌細(xì)胞（MBT-2）數(shù)量僅為對照組的25.5%，說明EGCG-pNG對膀胱癌細(xì)胞抑制有協(xié)同作用，在29?d腫瘤體積減少50%，說明EGCG-pNG可以有效抑制膀胱瘤生長。此外，Li等[52]制備自組裝金屬-酚類納米復(fù)合物SmIII-EGCG，通過癌細(xì)胞活力、腫瘤體積、小鼠體重等各方面測定，發(fā)現(xiàn)SmIII-EGCG顯著抑制小鼠黑色素瘤細(xì)胞（B16F10）的增殖，當(dāng)SmIII-EGCG質(zhì)量濃度為250?μg·mL-1時，癌細(xì)胞活力降低至39.7%；SmIII-EGCG治療組在20?d時腫瘤平均大小為(878.91±71.14)mm3[5-氟尿嘧啶組為(1?120.90±117.32)mm3，未治療組為(1?750±180)mm3]且體重?zé)o明顯變化；Ren等[53]使用EGCG和酚酸鉑前體藥物合成的納米球（PTCG）可以通過級聯(lián)反應(yīng)提升生物體內(nèi)H2O2水平來協(xié)同殺傷腫瘤細(xì)胞（圖2）。體外和體內(nèi)研究表明，EGCG修飾后的鉑類藥物實現(xiàn)了化療與化學(xué)動力學(xué)協(xié)同的抗腫瘤療效，并且和單獨(dú)的鉑藥相比，具有良好的生物安全性。Yuan等[54]制備了聚焦羧甲基殼聚糖（FU-CMC）與金納米顆粒（GNPs）的納米復(fù)合材料（FU-CMC-EGCG-GNPs），發(fā)現(xiàn)EGCG與金納米粒子結(jié)合表現(xiàn)出比EGCG單體更好的抗癌效果，所制備的納米復(fù)合材料成功抑制了胃癌細(xì)胞增殖。EGCG納米復(fù)合物的高效抗腫瘤作用在多個試驗?zāi)Ｐ椭幸呀?jīng)被證實。與傳統(tǒng)化療相比，納米化后的EGCG，其抗癌的靶向性、安全性、高效性都有顯著提升，此外，還可以聯(lián)合臨床上現(xiàn)有的抗癌藥物實現(xiàn)靶向遞送、協(xié)同治療[55-56]。

注：A為制備PTCG的構(gòu)建塊化學(xué)結(jié)構(gòu)；B為EPR效應(yīng)和細(xì)胞內(nèi)化作用示意圖

1.3 其他兒茶素生物納米復(fù)合物抗腫瘤研究進(jìn)展

雖然生物醫(yī)用納米材料為載藥和減少藥物毒副作用提供了解決策略，但體內(nèi)穩(wěn)定、成本低、可大量制備的刺激響應(yīng)型納米載體仍然是研究者們追求的目標(biāo)。Yi等[57]開發(fā)了一種簡單的藥物遞送系統(tǒng)構(gòu)建方法，通過使用EGCG和天然的毛角蛋白制備出具有良好生物相容性、膠體穩(wěn)定性和刺激響應(yīng)型的納米遞送系統(tǒng)來遞送Dox。構(gòu)建的EGCG納米顆粒大小為30～230?nm，這些納米顆粒在生理介質(zhì)中具有長期的膠體穩(wěn)定性，但在病理條件下會被降解釋放EGCG，為藥物的靶向遞送系統(tǒng)提供了天然優(yōu)勢。細(xì)胞試驗證實這些納米顆粒具有EGCG固有的生物活性，負(fù)載藥物的納米顆粒比小分子藥物具有更高的癌細(xì)胞抑制率，說明EGCG和Dox具有協(xié)同抗腫瘤作用。體內(nèi)試驗證明了該納米顆?？梢蕴岣逧GCG的生物利用度，增強(qiáng)抗癌功效，并且沒有明顯的系統(tǒng)毒性。EGCG可以增強(qiáng)抗腫瘤免疫，腫瘤的免疫耐受主要受細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞浸潤不足和腫瘤的免疫抑制微環(huán)境影響。Wang等[58]使用程序性死亡受體-1（PDL-1）抗體、EGCG、ICG和基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP2）等構(gòu)建了一種復(fù)合納米顆粒，克服腫瘤免疫耐受，用于腫瘤的聯(lián)合免疫治療。小鼠體內(nèi)試驗表明，該復(fù)合納米顆粒在近紅外激光照射下有效地抑制了腫瘤的生長和向肺以及淋巴結(jié)的轉(zhuǎn)移，為腫瘤免疫治療新材料的構(gòu)建提供了新型平臺。Siddiqui等[59]通過聚乳酸-聚乙二醇封裝的EGCG納米顆粒在體內(nèi)外均具有促凋亡和抗血管生成的作用，其有效性比未封裝的EGCG具有10倍以上的劑量優(yōu)勢，證明了nano-EGCG對黑色素瘤細(xì)胞Mel 928具有良好的抗增殖和促凋亡作用。

2 兒茶素生物納米材料抗菌研究進(jìn)展

有害病原微生物侵染人體會引發(fā)各種疾病，如皮炎、肺炎、腦膜炎、敗血癥等，嚴(yán)重情況下可導(dǎo)致死亡[60-63]。隨著抗生素的不合理使用，導(dǎo)致了耐藥菌的暴發(fā)、高劑量抗生素使用帶來的毒副作用和復(fù)發(fā)性感染等嚴(yán)重衛(wèi)生問題，開發(fā)新型高效綠色的抗生素代替物是目前的研究熱點。兒茶素是一種低毒、強(qiáng)效的抑菌物質(zhì)，研究表明兒茶素對耐藥性金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠膿桿菌、結(jié)核桿菌等多種病菌具有抑制作用。Si等[64]研究發(fā)現(xiàn)，EGCG對甲氧西林敏感金黃色葡萄球菌（MSSA）和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）的最低抑菌濃度分別為58?mg·L-1和37?mg·L-1；Ikigai[65]等發(fā)現(xiàn)，EGCG可以直接穿透脂質(zhì)雙分子層，破壞脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)菌細(xì)胞膜屏障功能發(fā)生變化和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏。但是，兒茶素由于體外易氧化變性，體內(nèi)易聚集失活等原因限制了其在藥物領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，為了推進(jìn)兒茶素在抗菌領(lǐng)域中的應(yīng)用，在低濃度下發(fā)揮其最高抗菌活性，科學(xué)家開始利用兒茶素構(gòu)建新型的生物抗菌材料，并且與其他抗菌離子組合，實現(xiàn)協(xié)同作用。

2.1 兒茶素納米球的抗菌作用進(jìn)展

Moreno-Vásquez等[66]研究發(fā)現(xiàn)，與EGCG單體和殼聚糖相比，EGCG殼聚糖納米顆粒（EGCG-g-chitosan-P）對金黃色葡萄球菌的抑菌活性增加，EGCG-g-chitosan-P的最低抑制濃度（15.6?μg·mL-1）明顯低于Chitosan-P（31.2?μg·mL-1）和EGCG（500?μg·mL-1），具有更高的生長抑制作用；Huang等[67]研究發(fā)現(xiàn)，EGCG負(fù)載HTCC/LMWFNPs（EGCG-loaded NPs）處理的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的存活率分別為2%和3%，而無EGCG的HTCC/LMWFNPs（Empty NPs）處理的存活率分別為19.6%和29.1%，明顯低于Empty NPs處理，表明EGCG負(fù)載HTCC/LMWFNPs的抗菌活性顯著升高。

2.2 兒茶素納米金屬復(fù)合物抗菌進(jìn)展

Zhang等[68]將兒茶素（CAT）和兒茶素-Zn復(fù)合物（CAT-Zn）制備成不同粒徑的-殼聚糖納米粒子（-CS），研究表明，相比于未包裹的CAT和CAT-Zn，-CS包裹的CAT（-CS-CAT）和CAT-Zn（-CS-CAT-Zn）具有更強(qiáng)的抗菌活性，且小粒徑的納米?？咕钚愿撸?CS-CAT-Zn對乳桿菌和大腸桿菌的最小抑菌濃度分別為0.031?mg·mL-1和0.063?mg·mL-1；Rónavári等[69]利用咖啡和綠茶提取物成功制備了銀納米顆粒（C-AgNP和GT-AgNP），測定不同銀納米顆粒濃度下大腸桿菌和新型隱球菌的存活率，發(fā)現(xiàn)GT-AgNP的抑菌效果明顯優(yōu)于C-AgNP。

2.3 兒茶素納米生物高分子抗菌進(jìn)展

天然高分子水凝膠因其生物安全和生產(chǎn)成本低而成為一類常用的生物材料。然而，較差的力學(xué)強(qiáng)度和易被細(xì)菌感染等缺陷限制了其在組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。Wu等[70]通過簡單地浸泡方法將天然高分子浸泡在EGCG水溶液中構(gòu)建了具有高力學(xué)性能和抗菌生物功能的生物材料。在水溶液中，經(jīng)TP處理的水凝膠雖然隨著TP的釋放強(qiáng)度有所下降，但仍能保持較強(qiáng)的力學(xué)性能，提高了其含水量、抗菌和抗氧化活性。甲基丙烯酸-茶多酚水凝膠（GelMA-TP）被證明可以促進(jìn)皮膚傷口愈合（圖3）。Hu等[71]利用EGCG結(jié)合淀粉樣原纖維自組裝形成具有抗菌活性的可逆水凝膠，證實了EGCG水凝膠有抗菌活性，試驗以革蘭氏陰性大腸桿菌（EC）和革蘭氏陽性單增李斯特氏菌（LM）為代表微生物，在0～50?μg·mL-1范圍內(nèi)有濃度效應(yīng)，當(dāng)質(zhì)量濃度為50?μg·mL-1時，EC和LM的CFU在24?h和2?h下降超過4個數(shù)量級，對應(yīng)的抑制率達(dá)到99.99%，使用人結(jié)腸上皮細(xì)胞（HCEC）進(jìn)行安全性評估，在質(zhì)量濃度高達(dá)125?μg·mL-1暴露48?h后對細(xì)胞活力沒有任何影響。

注：A為茶多酚水凝膠和增韌機(jī)理形成的示意圖；B為不同處理組的傷口愈合能力評估

Fig. 3 Synthesis of tea polyphenols hydrogel and skin wound healing rate in mice[70]

3 兒茶素生物納米材料抗炎和抗氧化活性研究進(jìn)展

活性氧（ROS）是機(jī)體代謝過程中產(chǎn)生的重要中間產(chǎn)物，當(dāng)ROS過度表達(dá)不能被及時清除時，過量的ROS可能和脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、多糖以及核酸等具有生物活性的大分子相互作用，引發(fā)細(xì)胞代謝紊亂、細(xì)胞器功能異常，導(dǎo)致許多疾病的發(fā)生，包括炎癥、癌癥、心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病，以及衰老[72-74]。利用外源性抗氧化物質(zhì)緩解氧化應(yīng)激是治療氧化應(yīng)激損傷的一個重要策略。EGCG作為天然的抗氧化劑，由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)，可以和體內(nèi)過量自由基反應(yīng)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗氧化性。Sekowski等[75]研究表明，在UVB輻射前添加濃度為1～20?μmol·L-1的EGCG可以通過防止脂質(zhì)過氧化、還原型谷胱甘肽和血紅蛋白氧化來保護(hù)紅細(xì)胞免受紫外線誘導(dǎo)的氧化損傷，與對照組相比，EGCG試驗組ROS產(chǎn)量下降約36%；UVB輻射會引起脂質(zhì)過氧化，在照射前后，TBARS（硫代巴比妥酸反應(yīng)物）產(chǎn)物增長了3倍、谷胱甘肽水平降低了58.3%，metHB水平增加了5倍，而在添加5～10?μmol·L-1EGCG時可以抑制膜脂過氧化，20?μmol·L-1EGCG可以使還原型谷胱甘肽增加兩倍，metHB降低30%，表明EGCG能抑制UVB誘導(dǎo)的紅細(xì)胞氧化應(yīng)激。Zhang等[76]將EGCG與Cu2+和PLLA自組裝負(fù)載雷帕霉素實現(xiàn)了對血管愈合和炎癥的調(diào)控。目前制備生物抗氧化材料的過程通常需要加入金屬離子或有機(jī)試劑，這可能本身會對生物體產(chǎn)生不良反應(yīng)。為解決此難題，Yang等[77]提出了一種新型的綠色納米顆粒制備策略，以EGCG為原料，通過綠色酶聚合化學(xué)方法制備綠色納米顆粒；所得納米顆粒具有均勻的球形形態(tài)，在水和生物介質(zhì)中具有良好的穩(wěn)定性，并表現(xiàn)出良好的自由基清除性能；構(gòu)建的EGCG納米顆?？梢杂行ьA(yù)防細(xì)胞內(nèi)氧化損傷，加速傷口恢復(fù)，并保護(hù)腎臟免受急性腎損傷模型中活性氧的損害。Hu等[47]將淀粉樣蛋白和EGCG進(jìn)行自組裝成具有調(diào)節(jié)腸道微生物和抗炎作用的生物材料（圖4），口服后，該材料可從胃到小腸，最后到達(dá)腸道（盲腸、結(jié)腸、直腸），在結(jié)腸內(nèi)滯留時間較長，可顯著改善由DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎，促進(jìn)腸道屏障功能，抑制促炎mRNA表達(dá)，具有廣闊的胃腸道抗炎應(yīng)用前景。

4 兒茶素藥物遞送系統(tǒng)研究進(jìn)展

藥物在病灶部位的精準(zhǔn)釋放是藥物遞送需要解決的一大難題。研究者們通常對藥物進(jìn)行抗體、靶向小肽或pH敏感分子修飾來提高藥物在病灶部位的富集程度，從而實現(xiàn)高效低毒的治療目標(biāo)。但是這些修飾過程不僅復(fù)雜，而且還會引入新的分子，影響藥物代謝，甚至?xí)a(chǎn)生嚴(yán)重的毒副作用。因此，一種簡單有效的藥物遞送系統(tǒng)的建立是亟需解決的難題。EGCG憑借其多酚羥基的結(jié)構(gòu)特殊性和天然的生物活性，有望成為新型藥物遞送系統(tǒng)的備選物質(zhì)，不僅能實現(xiàn)藥物遞送，還能起到協(xié)同作用。影響siRNA療法臨床轉(zhuǎn)化的主要原因之一是無法將其精準(zhǔn)遞送到細(xì)胞內(nèi)。雖然，目前已經(jīng)開發(fā)了許多用于siRNA傳遞的聚合物，但其運(yùn)輸效率和細(xì)胞毒性關(guān)系調(diào)控仍然是科學(xué)家沒有解決的難題?；诖?，Shen等[78]開發(fā)了一種具有高效siRNA傳遞效率的核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒的簡便策略，該納米顆粒是通過熵驅(qū)動的原理將siRNA與EGCG混合形成帶負(fù)電的納米球，再在其表面修飾帶正電的低分子聚合物，該納米球可以將siRNA高效的遞送到細(xì)胞內(nèi)部，使其能夠選擇性調(diào)控靶基因，有效治療DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎。Fan等[79]利用不同的直接聚合方法設(shè)計和合成了兒茶酚胺聚合物，用于siRNA在體外和體內(nèi)的傳遞（圖5）。研究發(fā)現(xiàn)，將多個鄰苯二酚片段引入陽離子聚合物可以增強(qiáng)其siRNA結(jié)合能力，從而大大提高其復(fù)合物的生物穩(wěn)定性、細(xì)胞遞送和基因沉默效率。經(jīng)篩選，鄰苯二酚摩爾比為50%的先導(dǎo)陽離子多兒茶酚P1，即使在存在血清蛋白的情況下，也能有效地將siRNA傳遞到不同的細(xì)胞系，并下調(diào)各種靶基因。此外，P1還能在體內(nèi)外成功沉默巨噬細(xì)胞中的腫瘤壞死因子TNF-，并能有效治療結(jié)腸炎。這些結(jié)果表明，兒茶素有望被開發(fā)為一種簡單通用的藥物遞送系統(tǒng)，用于疾病治療。

5 兒茶素生物納米材料抗病毒研究進(jìn)展

人類科技在不斷發(fā)展，但各種病毒性傳染病仍時刻困擾著人類的正常生活。近年來禽流感、H7N9、新型冠狀病毒等疫情的發(fā)生，嚴(yán)重危害了畜禽和人類的生命安全，阻礙了社會進(jìn)一步發(fā)展。病毒由蛋白質(zhì)外殼和遺傳物質(zhì)構(gòu)成，通過侵染宿主細(xì)胞完成遺傳和復(fù)制等生命活動，人們發(fā)現(xiàn)EGCG對一些病毒有高效抑制作用[80-85]。Ge等[86]研究EGCG抗豬繁殖與呼吸綜合征病毒（PRRSV），發(fā)現(xiàn)無論是在PRRSV感染豬肺泡巨噬細(xì)胞（PAMs）前，還是感染后給藥，EGCG均能有效抑制PRRSV復(fù)制，且有劑量依賴性，在濃度為125?μmol·L-1時，可以完全抑制病毒的感染。CD4是T細(xì)胞上表達(dá)的表面糖蛋白，在T細(xì)胞識別抗原和激活過程中發(fā)揮重要作用。Williamson等[87]研究發(fā)現(xiàn)，EGCG可以通過抑制HIV-1糖蛋白（gp）120與T細(xì)胞上CD4分子的結(jié)合，從而降低HIV-1的傳染性；結(jié)果證明，在與服用綠茶相當(dāng)?shù)腅GCG濃度下，能夠?qū)p120附著CD4的能力減少90%～95%。有研究表明丙型肝炎病毒（HCV）的生命周期和脂質(zhì)代謝密不可分，Calland等[88]證明了EGCG可以直接通過結(jié)合病毒顆粒和干預(yù)脂質(zhì)代謝的方式來預(yù)防HCV感染細(xì)胞，結(jié)果顯示50?μmol·L-1的EGCG在早期階段抑制HCV感染率超過90%，但并不抑制HCV的轉(zhuǎn)錄和翻譯。有研究認(rèn)為EGCG是植物化學(xué)物質(zhì)中最具有潛力的3CLpro抑制劑，體外研究表明，EGCG在200?μmol·L-1濃度下對3CLpro有85%的抑制作用，IC50值為(73±2)μmol·L-1，且研究發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2的3CLpro結(jié)構(gòu)與SARS-CoV高度相似[89-92]?；谶@些研究，EGCG有望成為3CLpro的潛在抑制劑，用于COVID-19的預(yù)防治療?；诖?，Zhang等[93]綜述了EGCG的潛在抗新冠病毒機(jī)制（圖6），EGCG可以通過直接抗氧化、激活Nrf2通路、調(diào)控炎癥風(fēng)暴等來抑制氧化應(yīng)激和下調(diào)血管緊張素轉(zhuǎn)換酶2（ACE2）的表達(dá)，從而抑制病毒的感染和復(fù)制。Reshamwala等[94]研究表明，EGCG與金納米顆粒制備成EGCG金納米顆粒（EGCG-AuNPs）后，不僅能顯著降低EGCG的肝毒性，還能高效抑制柯薩奇病毒（CVB1）對A549細(xì)胞的感染，EGCG-AuNPs通過引起CVB1病毒顆粒團(tuán)聚，阻止CVB1病毒釋放RNA和阻止病毒與細(xì)胞表面結(jié)合來抵制病毒感染。

注：A為多酚納米微絲減輕結(jié)腸炎和調(diào)節(jié)腸道微生物群失調(diào)示意圖；B為不同處理對DSS引起的C57BL/6小鼠結(jié)腸炎臨床癥狀的影響；C為結(jié)腸組織的蘇木精和伊紅染色結(jié)果；D為結(jié)腸組織緊密結(jié)蛋白的免疫熒光染色結(jié)果

注：A為聚合物構(gòu)建和細(xì)胞內(nèi)siRNA傳遞基因沉默機(jī)制示意圖；B為聚合物將siRNA遞送到腸炎部位示意圖

Fig. 5 Schematic representation of the polymer construction and targeted delivery[79]

6 總結(jié)與展望

借助納米生物技術(shù)將兒茶素與金屬、天然高分子、脂質(zhì)體、殼聚糖等構(gòu)建新型生物醫(yī)用納米材料，不僅提高了兒茶素的生物利用度，還能使其負(fù)載臨床小分子藥物達(dá)到協(xié)同作用。這種以兒茶素作為配體構(gòu)建新型生物材料的策略拓展了兒茶素在新型生物醫(yī)用材料構(gòu)建中的應(yīng)用，有望推動茶資源，特別是多酚含量高的夏秋茶資源的高效利用。盡管兒茶素在生物材料構(gòu)建中有諸多優(yōu)勢，但為了推動兒茶素在生命健康領(lǐng)域中的進(jìn)一步發(fā)展及其在功能食品和新型藥物中的應(yīng)用，還有以下問題需要解決。

首先是生物安全問題。生物安全的兒茶素納米材料是應(yīng)用于臨床前研究的前提[22,95-98]。雖然通過功能配體的修飾可以有效提升兒茶素在生物體內(nèi)的利用度，但是，由于這些生物材料復(fù)雜的設(shè)計工藝，使其在體內(nèi)降解困難，Zelepukin等[99]報道核殼結(jié)構(gòu)的多核磁性納米顆粒與均一結(jié)構(gòu)的多核磁性納米顆粒相比，其在小鼠體內(nèi)的藥物半衰期（T1/2）分別為430?d和48?d，說明了結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的納米材料在體內(nèi)滯留時間越長，增加了安全風(fēng)險；

其次，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物納米材料也容易在血液循環(huán)過程中形成蛋白冠而失去功能，難以抵達(dá)病灶深層部位[100-102]；而且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計很難解析兒茶素納米藥物在體內(nèi)代謝規(guī)律以及發(fā)揮生物功能的分子機(jī)制；因此，針對特定的疾病模型，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、生物安全和功能明確的個性化兒茶素生物材料是推進(jìn)其應(yīng)用的基礎(chǔ)。

圖6 EGCG抗新冠病毒的潛在分子機(jī)制[93]

具有穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和高效遞送能力的兒茶素納米材料是應(yīng)用于臨床前研究的保障[103-105]。天然藥物在病灶部位的靶向遞送一直是近幾年材料化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究的熱點和難點[106-108]。將兒茶素精準(zhǔn)遞送到病灶部位，或者以兒茶素為遞送系統(tǒng)將臨床藥物遞送到病灶部位是提高藥物療效和降低毒副作用的有效手段[109]。靶向遞送的前提是要構(gòu)建穩(wěn)態(tài)的遞送體系或生物材料，使其在存儲和運(yùn)輸過程中保持結(jié)構(gòu)和活性穩(wěn)定，且在體內(nèi)遞送過程中發(fā)揮高效作用。因此，通過納米生物技術(shù)手段，設(shè)計穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的生物材料，并使其在復(fù)雜的生物體內(nèi)環(huán)境中保持活性，到達(dá)特定部位發(fā)揮生物功能是非常必要的；其次，在材料上修飾靶向基團(tuán)，實現(xiàn)對特定病灶部位的靶向釋放和精準(zhǔn)治療，或者設(shè)計刺激響應(yīng)型的功能材料，如酸敏感、光熱敏感或磁性敏感的兒茶素納米材料，可以有效提高兒茶素或者藥物的遞送能力，實現(xiàn)低濃度下高效殺傷目的。

綠色合成、生產(chǎn)成本低、規(guī)?；苽涫莾翰杷丶{米材料生產(chǎn)的關(guān)鍵支撐。復(fù)雜的材料設(shè)計和制備工藝可能會引入較多的不確定元素，不利于兒茶素納米材料的安全性評估。因此，近年來倡導(dǎo)的一步法和綠色合成理念最終目的是在達(dá)到材料構(gòu)建目標(biāo)的同時避免產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，這樣會提高反應(yīng)效率，降低反應(yīng)成本。在保證兒茶素生物材料充分發(fā)揮活性的前提下，低成本實現(xiàn)規(guī)?；苽涫峭苿觾翰杷厣锊牧吓R床前大規(guī)模動物評價的關(guān)鍵。

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Recent Advances in Catechin Biomedical Nanomaterials

YU Rongxin1,2,3, ZHENG Qinqin2,3, CHEN Hongping2,3, ZHANG Jinsong1*, ZHANG Xiangchun2,3*

1. State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China; 2. Tea Research Institute, Chinese Academy of Agriculture Sciences, Hangzhou 310008, China; 3. Key Laboratory of Tea Quality and Safety Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hangzhou 310008, China

Catechins are a kind of bioactive substances rich in tea, which have the functions of anti-oxidation, anti-tumor, anti-virus, anti-inflammatory and immune regulation. However, due to the high activity of phenolic hydroxyl groups, catechins are easy to loseandactivities, resulting in lower bioavailability. The recent development of nanobiotechnologies is expected to solve the problem of low bioavailability of catechins through ligand design, accurate synthesis and intelligent regulation, which can expand its application in the field of life and health. In this review, a summary on the progress of catechin biomedical nanomaterials in recent years, including the anti-tumor, antibacterial, anti-inflammatory, drug delivery and anti-virus activities,was firstly made. Later, the construction and biological mechanism of catechin biomedical nanomaterials were discussed in detail. Finally, future perspectives on the design and application of novel catechin nanomaterials were provided.

catechin, EGCG, nanomaterials, biomedicine, anti-tumor

S571.1；Q946.84+1

A

1000-369X(2022)04-447-16

2022-05-05

2022-06-07

國家自然科學(xué)基金（32001013）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程和青年創(chuàng)新專項（CAAS-ASTIP-2021-TRI、Y2022QC24）

俞蓉欣，女，碩士研究生，主要從事茶功能性生物納米材料研究。*通信作者：zjs@ahau.edu.cn；zhangxc@tricaas.com