我國(guó)杰青團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表關(guān)于益生菌的最新研究成果

中科院上海藥物研究所杰出青年基金獲得者甘勇研究員團(tuán)隊(duì)在Nature子刊《Nature Communications》發(fā)表了題為“Ameba-inspired strategy enhances probiotic efficacy via prebound nutrient supply”的最新研究成果。甘勇研究員為通訊作者，Chao Pan為第一作者。

研究背景

胃腸道（GI）自然地定植著大量的微生物群落，形成了一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，這一系統(tǒng)對(duì)生理穩(wěn)態(tài)和宿主功能有著深遠(yuǎn)的影響。越來(lái)越多的證據(jù)表明，微生物的組成與多種難治性疾病的發(fā)生發(fā)展及治療管理之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)，這些疾病包括炎癥性腸?。↖BD）、糖尿病、高脂血癥以及某些類型的癌癥。鑒于益生菌具有維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)腸道免疫以及保持腸道屏障完整性的能力，口服益生菌在治療多種胃腸道疾病方面展現(xiàn)出了巨大的潛力。益生菌治療疾病的功效與它們的定植效果呈正相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)有效的定植，確保口服的益生菌能夠活著到達(dá)腸道并迅速增殖至關(guān)重要。然而，胃腸道中的各種應(yīng)激因素嚴(yán)重阻礙了口服益生菌在腸道內(nèi)的存活和增殖，導(dǎo)致其定植率極低。

工程化益生菌遞送系統(tǒng)已被用于提高益生菌對(duì)胃腸道應(yīng)激因素的耐受性，其方式是為益生菌配備各種功能材料，如多糖、脂質(zhì)體、黏蛋白和納米顆粒等，以促進(jìn)益生菌的定植。然而，這些系統(tǒng)主要側(cè)重于應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)胃腸道應(yīng)激因素帶來(lái)的挑戰(zhàn)，如胃液、膽汁酸、溶菌酶、活性氧以及腸道的快速轉(zhuǎn)運(yùn)，卻忽視了與腸道固有微生物群進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)所產(chǎn)生的顯著定植障礙。尤其是在炎癥性腸病（IBD）的病理環(huán)境中，食物攝取減少、黏膜層受損以及致病微生物的過(guò)度生長(zhǎng)，進(jìn)一步加劇了營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)，從而顯著抑制了益生菌的增殖和定植。非工程化的益生菌系統(tǒng)，例如益生菌與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的直接混合物，已被用于增強(qiáng)益生菌的定植。但是，口服的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在腸道中隨機(jī)分布，使得各種腸道微生物都能夠攝取這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致口服益生菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取量極低，效果有限。因此，迫切需要新的策略來(lái)幫助口服益生菌應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)，提高它們?cè)谀c道中的增殖和定植能力。

大自然為調(diào)節(jié)胃腸道中益生菌的增殖和定植提供了新的思路。為了確保種群的延續(xù)和繁衍，變形蟲已經(jīng)進(jìn)化出從周圍環(huán)境中捕獲細(xì)菌的能力，并在遷移過(guò)程中將其作為食物來(lái)源攜帶，以便在營(yíng)養(yǎng)匱乏的環(huán)境中提高自身的生存和繁殖能力。與變形蟲類似，充足的食物來(lái)源對(duì)于口服益生菌在患病腸道中實(shí)現(xiàn)良好的定植同樣至關(guān)重要。這啟發(fā)我們?cè)O(shè)計(jì)出一種仿生策略，即在口服之前將充足的食物預(yù)先結(jié)合到益生菌上。這種受變形蟲啟發(fā)的攜帶食物策略（AIFS）應(yīng)該具備一些獨(dú)特的功能。首先，它能使益生菌與食物直接且持續(xù)地接觸，有可能防止食物被其他腸道微生物群攝取。其次，由于益生菌與腸道黏膜之間存在相互作用，它可能會(huì)增強(qiáng)益生菌所攜帶的食物在腸道中的留存時(shí)間，延長(zhǎng)益生菌攝取食物的窗口期。此外，它可能會(huì)讓口服益生菌特異性地?cái)z取所攜帶的食物，從而提高益生菌的存活率和增殖能力。因此，受變形蟲啟發(fā)的攜帶食物策略在應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)以及改善益生菌在腸道中的定植方面具有巨大的潛力。

要實(shí)現(xiàn)受變形蟲啟發(fā)的攜帶食物策略（AIFS），營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的選擇至關(guān)重要。雖然像菊粉和麥芽糊精這類物質(zhì)在腸道中經(jīng)過(guò)酶降解后可以作為益生菌的碳源，但它們無(wú)法被益生菌直接攝取，而且多糖降解產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也能被其他微生物群利用。此外，僅靠碳源無(wú)法滿足益生菌的生長(zhǎng)需求。令人欣喜的是，生姜來(lái)源的外泌體樣納米顆粒（GELNs），這是一種具有納米級(jí)結(jié)構(gòu)的植物外泌體，具有優(yōu)異的分散性，并且可以通過(guò)一種依賴于磷脂酸的機(jī)制被腸道微生物群直接攝取。這些納米顆粒不僅含有多糖，還含有核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)，為益生菌提供了豐富的碳、氮、磷和硫源，從而促進(jìn)它們的增殖。此外，與其他外泌體不同，生姜來(lái)源的外泌體樣納米顆粒被乳酸菌攝取后，可以刺激腸道中IL-22的產(chǎn)生，這對(duì)于維持腸道黏膜的穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。因此，生姜來(lái)源的外泌體樣納米顆粒是口服益生菌的理想營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

在這項(xiàng)研究工作中，我們推進(jìn)了AIFS，通過(guò)在口服給藥前將GELNs預(yù)先結(jié)合到益生菌上，以克服營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，從而改善益生菌在炎癥性腸?。↖BD）中的功效（圖 1）。為了實(shí)現(xiàn)這一策略，我們通過(guò)靜電相互作用和酰胺化反應(yīng)，依次將帶正電荷的殼聚糖（CS）修飾的GELNs（GELNCS）和帶負(fù)電荷的透明質(zhì)酸（HA）修飾的GELNs（GELNHA）結(jié)合到由透明質(zhì)酸保護(hù)的益生菌上。我們成功制備出了受變形蟲啟發(fā)的攜帶食物的微生態(tài)制劑（AIFM），對(duì)于革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性益生菌，其對(duì)益生菌的活性影響極小。AIFS在應(yīng)對(duì)各種胃腸道應(yīng)激因素時(shí)，展現(xiàn)出顯著提高的存活率，在存在競(jìng)爭(zhēng)性微生物的情況下，口服益生菌能夠特異性攝取GELNs，并且在模擬的營(yíng)養(yǎng)缺乏環(huán)境中以及存在病原體的情況下，益生菌的增殖速度加快。我們還表明，該策略能夠顯著延長(zhǎng)GELNs在胃腸道中的留存時(shí)間，增加益生菌的豐度，并抑制腸道中病原體的存在。此外，我們揭示了AIFS能夠修復(fù)受損的腸道黏膜，并積極調(diào)節(jié)腸道細(xì)胞因子的分泌，在預(yù)防和治療小鼠結(jié)腸炎方面均顯著提高了療效。