植物多酚盔甲化益生菌，可有效改善抗生素致腹瀉

腸道菌羣在維持健康的胃腸功能和其他生理過程中起着關鍵作用。隨着這些作用機制被逐漸揭示，使用口服微生物作爲疾病治療新手段和診斷新方法的應用已成爲生物醫學領域的焦點方向之一。腸道菌羣能夠在口腔和胃部轉運過程中存活，並在腸道中繁衍，從而對宿主產生有益的生物效應，包括對腸道病原體的抑制、調節免疫、促進營養吸收等。抗生素的廣泛使用嚴重破壞了腸道菌羣的穩態，從而導致抗生素相關的腹瀉（AAD）。AAD影響了5-30%的接受抗生素治療的病人，而這一副作用對一些基礎健康狀況較差的老年病人可能帶來嚴重後果。在臨牀上，雖然會通過口服益生菌製劑來緩解抗生素的副作用，但由於未經保護的益生菌在患者腸道內仍然會遭受抗生素的破壞，新的菌羣幾乎無法定植，因此在抗生素治療期間即使多次口服益生菌製劑往往也療效不佳。因此，通過納米材料與活細菌的結合對益生菌進行物理封裝，以彌補益生菌的先天缺陷是解決這一問題的一個行之有效的方法。

近日，四川大學輕工科學與工程學院郭俊凌教授、華西第二醫院張曜耀醫生、美國哈佛大學Neel S. Joshi教授聯合團隊，利用植物多酚在細胞界面粘附的作用特性，開發了一種細菌功能化新技術，爲細菌功能強化升級與生物雜化複合體的構建提供了一種全新的策略。該研究成果發表於Nature Communications，題爲：A single-cell nanocoating of probiotics for enhanced amelioration of antibiotic-associated diarrhea。四川大學輕工學院博士生潘界舟與博士後龔貴東爲論文的共同第一作者。

基於前期郭俊凌教授與墨爾本大學Frank Caruso教授（英國皇家科學院院士、澳大利亞工程院院士、科學院院士）關於金屬-多酚網絡（Metal-phenolic network）的相關研究（Nat. Nanotech., 2016, 11, 1105，Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 5546-5551）；與哈佛大學Neel S. Joshi教授以及著名化學家Daniel Norcera教授關於無機-生物雜化的相關研究 (Science, 2018, 362, 813)；以及與哈佛大學著名藥物遞送專家Samir Mitragotri教授（美國工程院院士、美國醫學院院士）合作關於多功能化的細胞生物平臺的相關研究（Adv. Mater. 2020, 32， 2003492），郭俊凌教授聯合團隊將多酚界面組裝的方法擴展應用在益生菌上，創建一種使益生菌能夠抵禦抗生素傷害的平臺化技術，命名爲益生菌納米盔甲（如圖1所示）。

圖1. 盔甲化益生菌的製備和腸道菌羣穩態調控機理。

盔甲化益生菌策略可以在革蘭氏陰性益生菌E. coli Nissle1917，革蘭氏陽性益生菌L. casei ATCC393T以及商業產品益生菌混合物CVS HPC表面形成一層保護殼。與天然益生菌相比，盔甲化益生菌在抗生素的作用下也維持了很好的生物活性。

多酚納米盔甲是一種多孔性納米材料，其提高益生菌抗生素耐受性的機理是通過植物多酚與抗生素之間存在的多重相互作用吸附益生菌周圍的抗生素，避免益生菌受到傷害。這種保護作用即使在益生菌分裂並突破這層保護殼後仍然存在。

凍乾的盔甲化益生菌在適當條件下可以快速復甦。本研究成功把盔甲化益生菌的凍乾粉末封裝在腸溶膠囊裡，使得這些益生菌避免胃酸的傷害，順利遞送到腸道，並在腸道環境中定植。

動物實驗表明，盔甲化益生菌在持續使用抗生素的情況下仍能成功定植於AAD大鼠的腸道，塗層能幫助益生菌在腸道的定植率提高，同時多酚還發揮了抗炎抗氧化的功效，以上功能的協同作用有效改善了AAD大鼠的生理狀況（如圖5所示）。該工作使用FDA批准的食品添加劑作爲主要材料，具有良好的生物相容性與安全性，解決了同時服用抗生素與益生菌所導致的益生菌定植不良的臨牀現實問題，在未來具有廣闊的應用前景。

文章鏈接：

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

專家點評

賈大（四川大學華西第二醫院教授）

腸道菌羣是一個龐大的微生物羣落，在免疫調節和維持生理健康等方面發揮着重要作用。益生菌作爲腸道疾病的潛在治療方法備受關注，因爲它們可以抑制病原體的定植，並積極地調節腸道內的菌落組成。然而，這些治療往往伴隨着針對病原體的抗生素用藥。在這些情況下，益生菌的療效會因其對抗生素的敏感性而受到影響。將有益細菌物理封裝在保護殼內，是一種解決抗生素對益生菌不精確的殺傷作用的有效方法。

四川大學郭俊凌教授聯合哈佛大學、麻省理工學院、華西附二院專家團隊在最近的Nature Communications論文報道了益生菌可以通過由單寧酸和鐵離子組成的生物相容性超分子塗層（被稱爲“益生菌納米裝甲”）進行單細胞塗層。被納米裝甲保護的盔甲化益生菌在抗生素作用下可以很好的維持其生物活性。該納米盔甲提供了對各種不同結構和作用機制的抗生素的保護，並克服了抗生素和益生菌同時服用後益生菌活性保護的關鍵問題。納米盔甲通過分子間的相互作用使抗生素不精確的殺傷作用失活，從而阻止了細胞的吸收和殺傷作用。基於多酚的納米護甲通過吸收護甲益生菌附近的各種抗生素，爲益生菌創造了一個低抗生素濃度的微環境。這種保護機制顯示出持久的保護作用，甚至在益生菌分裂並突破納米裝甲的外殼後也是如此。在大鼠模型中，他們展示了盔甲化益生菌在持續服用抗生素的大鼠腸道的成功定植，並改善了相關生理指標。該工作綜合運用了生物化學和材料學等多種技術手段，從多個角度、不同層次對提出的分子機制和功能進行了充分驗證。

對細菌的封裝技術已經建立多年，很難想象簡單的封裝技術就能使益生菌及其子代在抗生素環境下維持活性，該技術提供了重要的細胞工程底盤技術，具有巨大的基礎科學研究以及應用價值。另外，作爲分子機制創新的範例，基於多酚-金屬網絡的細菌表面修飾爲之後的無機-生物雜化研究提供了新方向。郭俊凌教授早期的工作揭示了多酚-金屬基材料在不同界面模塊化組裝的潛力，而這一新的突破性發現清楚地表明，他領導的實驗室在益生菌治療領域具有很強的國際競爭力。我向他、他的實驗室成員和合作者表示最熱烈的祝賀。

郭俊凌教授依託四川大學國家“雙一流”重點建設學科，建立了生物質先進材料研究中心（https://www.bmicenter.org/），帶領高度學科交叉的研究團隊，開展了生物質先進材料與納米尺度界面的基礎研究，同時牽動引領了輕工與跨學科協同發展。研究團隊招聘及要求：崗位：管理行政助理1名（薪酬具有競爭力），科研助理2名（碩士及以上學歷），優秀博士、碩士研究生多名。具有海外博士學歷/博士後並在高水平期刊發表論文的申請人，將協助申請四川大學特聘教授（研究員）、特聘副教授（副研究員）加入BMI團隊。

簡歷投遞（有意者請將個人簡歷及自薦信等材料發至）：

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參考文獻

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