Weekly Seminar

题目：益生菌的单细胞纳米涂层改善抗生素相关的腹泻

期刊：Nature communications

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29672-z

IF：17.9

汇报人：杜婷  2021级博士

肠道菌群在维持健康的胃肠功能和其他生理过程中起着关键作用。随着这些作用机制被逐渐揭示，使用口服微生物作为疾病治疗新手段和诊断新方法的应用已成为生物医学领域的焦点方向之一。肠道菌群能够在口腔和胃部转运过程中存活，并在肠道中繁衍，从而对宿主产生有益的生物效应，包括对肠道病原体的抑制、调节免疫、促进营养吸收等。抗生素的广泛使用严重破坏了肠道菌群的稳态，从而导致抗生素相关的腹泻（AAD）。AAD影响了5-30%的接受抗生素治疗的病人，而这一副作用对一些基础健康状况较差的老年病人可能带来严重后果。在临床上，虽然会通过口服益生菌制剂来缓解抗生素的副作用，但由于未经保护的益生菌在患者肠道内仍然会遭受抗生素的破坏，新的菌群几乎无法定植，因此在抗生素治疗期间即使多次口服益生菌制剂往往也疗效不佳。因此，通过纳米材料与活细菌的结合对益生菌进行物理封装，以弥补益生菌的先天缺陷是解决这一问题的一个行之有效的方法。

  利用植物多酚在细胞界面粘附的作用特性，开发了一种细菌功能化新技术，为细菌功能强化升级与生物杂化复合体的构建提供了一种全新的策略。盔甲化益生菌策略可以在革兰氏阴性益生菌E. coli Nissle1917，革兰氏阳性益生菌L. casei ATCC393T以及商业产品益生菌混合物CVS HPC表面形成一层保护壳。与天然益生菌相比，盔甲化益生菌在抗生素的作用下也维持了很好的生物活性。多酚纳米盔甲是一种多孔性纳米材料，其提高益生菌抗生素耐受性的机理是通过植物多酚与抗生素之间存在的多重相互作用吸附益生菌周围的抗生素，避免益生菌受到伤害。这本研究成功把盔甲化益生菌的冻干粉末封装在肠溶胶囊里，使得这些益生菌避免胃酸的伤害，顺利递送到肠道，并在肠道环境中定植。

1. 以天然多酚为基础的单细胞涂层(纳米盔甲)保护在胃肠道(GI)中保护细菌机制。                                                                                                                                        

图1 天然多酚单细胞涂层（纳米护甲），用于保护细菌免受胃肠道抗生素的侵害。

  这种纳米装甲能够实现快速和高度生物兼容的单细胞封装，保护不同分子结构和性质的抗生素。盔甲化益生菌可经冷冻干燥后装入口服肠道胶囊并且在胃肠道运输过程中的低pH值期间，胶囊仍能保持完整，并在肠道中释放带甲益生菌。抗生素的特异性通常会不利于肠道中健康的共生菌，并阻碍益生菌治疗。因此本研究中的纳米盔甲提供了一种安全而快速的涂层，促进健康微生物的繁殖。

2.纳米盔甲对于益生菌的保护作用

图2 细菌的纳米盔甲在多种抗生素中的保护作用

  通过生物相容性、多酚组装方法构建了一系列盔甲化益生菌。共聚焦激光扫描显微镜证实了周围形成了纳米壳层。基因组测序表明，在存在抗生素的情况下，益生菌混合物尽管不同菌株的相对丰度出现了微小的变化，但保留了混合细菌系统的多样性。

3. 益生菌纳米盔甲与抗生素分子的相互作用

图3 细胞纳米装甲与抗生素分子之间的相互作用。

  采用石英晶体微天平(QCM)被用来监测Fe-TA表面的纳米盔甲与抗生素分子之间的相互作用。由于多酚部分和抗生素分子之间的多重相互作用，该纳米盔甲能够增强质量吸附。界面相互作用的变化可以通过频率变化来检测，频率变化Δf与吸收分子的质量Δm成正比。与未经过Fe-TA预处理的抗生素处理相比，EcN显示出较高的细菌活力(图3e)，这表明抗生素困在Fe-TA聚集物中，不能抑制EcN的生长。此外，我们用高效液相色谱法(HPLC)测定了用Fe-TA聚集物处理的溶液上清液中的抗生素浓度。结果表示90%以上的抗生素可被Fe-TA聚集体吸收，剩余的抗生素不能完全杀死益生菌。

4.在不同的抗生素中，细菌的纳米盔甲和保护作用。

  为了在口服给药应用中实施纳米装甲策略，将冻干细菌细胞置于肠胶囊中(图4a)，并使用聚合物涂层(Eudragit L100)，该涂层在酸性条件下保持完整，并在肠道遇到的较高pH值时释放胶囊内容物。经冻干处理后，naïve益生菌与装甲益生菌具有相似的活性和生长情况。此外，模拟胃肠道转运的简单体外模型证实了双胶囊方案的可行性。

图4模拟GI条件下冻干细菌包封和细胞恢复情况

5.盔甲化益生菌的体内保护和生物学性能研究。

  在体内检测了装甲益生菌对抗生素的保护能力。盔甲化益生菌在持续使用抗生素的情况下仍能成功定植于AAD大鼠的肠道，涂层能帮助益生菌在肠道的定植率提高，同时多酚还发挥了抗炎抗氧化的功效，以上功能的协同作用有效改善了AAD大鼠的生理状况该工作使用FDA批准的食品添加剂作为主要材料，具有良好的生物相容性与安全性，解决了同时服用抗生素与益生菌所导致的益生菌定植不良的临床现实问题，在未来具有广阔的应用前景。

图5 盔甲化益生菌对抗生素的体内保护作用。

  在本研究中，证明了一种由TA和Fe组成的多酚型单细胞涂层(称为“益生菌纳米盔甲”)可以对益生菌形成短暂的屏障。已知天然多酚中的二羟基苯基(邻苯二酚)或三羟基苯基(没食子醇)通过共价和非共价相互作用强烈地结合在不同的材料表面。因此，天然多酚基纳米甲适用于不同的益生菌，包括革兰氏阴性菌株，如EcN，革兰氏阳性菌株如干酪乳杆菌，以及益生菌的商业混合菌株。纳米护甲提供了保护，免受各种结构和作用机制不同的抗生素的损伤，并克服了抗生素和益生菌同时使用的关键问题。纳米装甲通过分子间相互作用灭活抗生素的杀伤作用。以多酚为基础的纳米盔甲通过吸附附近的多种抗生素，为益生菌营造低抗生素浓度的微环境。这种保护机制显示出持久的保护作用，即使在益生菌分裂并打破纳米盔甲的外壳之后，仍发挥作用。通过口服含甲益生菌的肠道胶囊，纳米甲提供的保护可以在体内持续作用，以促进益生菌在AAD哺乳动物胃肠道的定植。尽管这种装甲益生菌并没有给正常大鼠带来特殊的健康益处，但作者预计，在抗生素必须同时使用或与益生菌同时使用的情况下，如在炎症性肠病的治疗中，这种策略可以提高益生菌治疗方案的疗效。

  此外，在其他涉及治疗细菌的医疗工作中，如共生菌群或工程细菌，抗生素的使用必须仔细管理的前提下，纳米盔甲的将十分有价值。