隨著全球慢性炎癥性腸病發(fā)病率逐年上升，潰瘍性結(jié)腸炎（UC）已成為威脅人類健康的重要公共衛(wèi)生問(wèn)題?，F(xiàn)有臨床治療方案普遍存在療效波動(dòng)與不良反應(yīng)顯著的局限性。天然藥物大黃素雖展現(xiàn)出優(yōu)異的抗炎活性，但因其水溶性差、生物利用度低的特性，極大程度限制了臨床轉(zhuǎn)化進(jìn)程。在納米藥物遞送領(lǐng)域，脂質(zhì)體作為理想的藥物載體，具備提升藥物遞送效率與靶向性的顯著優(yōu)勢(shì)。然而，傳統(tǒng)脂質(zhì)體制備技術(shù)面臨流程繁瑣、批次質(zhì)量不均的瓶頸，新興微流控技術(shù)亦因混合效率不足難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新性解決方案，實(shí)現(xiàn)納米藥物的精準(zhǔn)制備與靶向治療，已成為突破當(dāng)前困境的關(guān)鍵方向。

近日，魯東大學(xué)陳雪葉教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將微流控技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)深度融合，開(kāi)發(fā)出“仿生葉脈溝槽—馬蹄形"新型組合式微混合器（VGHM），結(jié)合NRBO-CNN-LSTM-Attention多元回歸預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了靶向大黃素脂質(zhì)體（Apt-EMO@Lip）的精準(zhǔn)可控制備，為潰瘍性結(jié)腸炎的精準(zhǔn)治療提供了全新策略。

相關(guān)成果以“Machine learning-guided one-step fabrication of targeted emodin liposomes via novel micromixer for ulcerative colitis therapy"發(fā)表于“中國(guó)科技期刊行動(dòng)計(jì)劃"期刊《Nano Research》上，2023級(jí)研究生陳鑫坤、潘玉麗為共同第一作者，陳雪葉教授與鮑誠(chéng)副教授為通訊作者。

（1）本研究將植物葉脈的凹槽結(jié)構(gòu)與馬蹄形流體分匯原理結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一種新型的仿生葉脈-馬蹄形耦合微混合器（VGHM），具體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1a所示。通過(guò)摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch^®  P150，精度：25μm）制造模具，結(jié)合PDMS模塑與等離子鍵合工藝制備出完整器件，其微通道形貌和封裝結(jié)構(gòu)如圖1b-e所示。

圖1. 微混合器設(shè)計(jì)圖。(a)微混合器詳細(xì)信息（尺寸、組成、入口）；(b)制備流程圖；(c)微混合器實(shí)物圖；(d、e)微通道超景深顯微鏡圖。

（2）通過(guò)COMSOL數(shù)值模擬構(gòu)建流體動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合雙染料溶液實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證混合機(jī)制，具體的流場(chǎng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖與流線分布如圖2a-b所示。實(shí)驗(yàn)裝置采用高速攝像機(jī)記錄微通道內(nèi)混合過(guò)程（圖2d），實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比顯示趨勢(shì)一致（圖2f-g）。

圖2. 微混合器性能評(píng)估。(a)仿真質(zhì)量云圖；(b)VGM不同截面的流線分布；(c)兩種結(jié)構(gòu)不同混合單元數(shù)下的混合效率；(d)實(shí)驗(yàn)裝置；(e)局部實(shí)驗(yàn)圖對(duì)比仿真圖；(f、g) 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

（3）本研究使用VGHM一步合成Apt-EMO@Lip策略，將脂質(zhì)分子有機(jī)相與緩沖液水相在微通道內(nèi)動(dòng)態(tài)混合，驅(qū)動(dòng)脂質(zhì)體從條狀→盤狀→球形進(jìn)行演變，并通過(guò)HSM單元實(shí)現(xiàn)適配體共價(jià)偶聯(lián)。

圖3. 一步形成靶向脂質(zhì)體機(jī)制。(a)VGHM與薄膜水合法制備靶向脂質(zhì)體的對(duì)比示意圖；(b)VGM中脂質(zhì)體的自組裝形成過(guò)程；(c)脂質(zhì)體成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)；(d)靶向脂質(zhì)體形成的機(jī)制。

（4）通過(guò)系統(tǒng)探究微流控制備變量，將流速比（FRR）、總流速（TFR）及溶劑類型作為關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)FRR=40:1時(shí)粒徑最小，乙醇溶劑優(yōu)于甲醇/氯仿；所得Apt-EMO@Lip呈單峰分布、電位-45.54mV，4℃儲(chǔ)存4周穩(wěn)定性良好，TEM顯示典型球形形貌。

圖4. 制備參數(shù)對(duì)脂質(zhì)體的特性影響圖。(a)流量信息配置；(b)FRR對(duì)粒徑和PDI的影響。(c)TFR對(duì)粒徑和PDI的影響；(d)溶劑類型對(duì)粒徑的影響；(e)Blank@Lip、EMO@Lip和Apt-EMO@Lip的粒徑分布；(f)Blank@Lip、EMO@Lip和Apt-EMO@Lip的Zeta電位值；(g)Blank@Lip、EMO@Lip和Apt-EMO@Lip在4℃儲(chǔ)存條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；(h)純化的Apt-EMO@Lip樣品圖；(i)TEM圖像顯示Blank@Lip和Apt-EMO@Lip的球形形態(tài)（標(biāo)尺=200 nm）。

（5）通過(guò)創(chuàng)新性融合牛頓-拉夫遜優(yōu)化（NRBO）、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）及注意力機(jī)制，構(gòu)建多變量回歸預(yù)測(cè)模型用于預(yù)測(cè)不同條件下脂質(zhì)體粒徑尺寸。模型對(duì)脂質(zhì)體粒徑預(yù)測(cè)精度達(dá)R2=0.9574（RMSE=6.52nm）。

圖5. 機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)粒徑圖。(a)訓(xùn)練損失隨迭代次數(shù)變化圖; (b)均方根誤差（RMSE）隨迭代次數(shù)變化圖；(c)模型訓(xùn)練適應(yīng)度曲線；(c)相對(duì)誤差圖；(d)訓(xùn)練集樣本擬合度；(f)訓(xùn)練集預(yù)測(cè)值與真實(shí)值對(duì)比；(g)測(cè)試集樣本的預(yù)測(cè)誤差分布；
(h)測(cè)試集樣本擬合度；(i)測(cè)試集預(yù)測(cè)值與真實(shí)值對(duì)比。

（6）通過(guò)對(duì)比分析兩種技術(shù)路徑，將微流控法（MF-EMO@Lip）與薄膜水合法（TFH-EMO@Lip）的理化特性并置評(píng)估。涵蓋粒徑分布、形態(tài)、穩(wěn)定性、電位及細(xì)胞毒性等關(guān)鍵指標(biāo)，為制備方法選擇提供依據(jù)。

圖6. 脂質(zhì)體特性和體外毒性的對(duì)比研究。(a)微流控法和薄膜水合法制備的載藥脂質(zhì)體的粒徑分布和形態(tài)對(duì)比；(b)穩(wěn)定性對(duì)比；(c)電位對(duì)比；(d)MTT實(shí)驗(yàn)示意圖；(e)游離大黃素的細(xì)胞毒性測(cè)定；(f)兩方法制備的載藥脂質(zhì)體的細(xì)胞毒性測(cè)定）。

（7）通過(guò)體外模擬胃腸道環(huán)境評(píng)估藥物釋放行為，展現(xiàn)出了良好的緩釋特性（48h釋放率58.62%）。我們進(jìn)一步通過(guò)RAW264.7巨噬細(xì)胞模型評(píng)估脂質(zhì)體的抗炎活性，Elisa實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)EMO@Lip處理后，促炎因子NO、TNF-α、IL-6和IL-1β的水平顯著降低；Caco-2細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)證實(shí)其加速腸道屏障細(xì)胞層損傷修復(fù)。

圖7. 大黃素脂質(zhì)體體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)。(a)胃腸道的pH范圍示意圖；(b)Free EMO和EMO@Lip的體外累積釋放曲線；(c-f)RAW264.7細(xì)胞分泌的促炎因子NO 、TNF–α 、IL–6 和IL-1β 的評(píng)價(jià)，處理24小時(shí)；(g)對(duì)caco-2細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)0-24h小時(shí)效果）。

總結(jié)：本研究通過(guò)“微流控技術(shù)-機(jī)器學(xué)習(xí)" 的協(xié)同創(chuàng)新，構(gòu)建了一步法制備靶向脂質(zhì)體的高效策略，突破了傳統(tǒng)脂質(zhì)體制備的效率與一致性瓶頸，結(jié)合智能預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)了粒徑的精準(zhǔn)調(diào)控，在潰瘍性結(jié)腸炎的體外模型中展現(xiàn)出優(yōu)異的抗炎與腸屏障修復(fù)能力。該成果為中藥活性成分的精準(zhǔn)遞送及炎癥性疾病的靶向治療開(kāi)辟了新路徑。