近日，四川大學輕工科學與工程學院郭俊淩教授、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介面粘附的作用特性，開發了一種細菌功能化新技術，為細菌功能强化陞級與生物雜化複合體的構建提供了一種全新的策略。該研究成果於2022年4月19日發表於國際頂級期刊《Nature Communications》。四川大學輕工學院博士生潘界舟與博士後龔貴東為論文的共同第一作者。
腸道菌群在維持健康的胃腸功能和其他生理過程中起著關鍵作用。隨著這些作用機制被逐漸揭示，使用口服微生物作為疾病治療新手段和診斷新方法的應用已成為生物醫學領域的焦點方向之一。腸道菌群能够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群的穩態，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。在臨床上，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，新的菌群幾乎無法定植，囙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。囙此，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决這一問題的一個行之有效的方法。
基於前期郭俊淩教授與墨爾本大學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-phenolicnetwork）的相關研究（Nat. Nanotech.，2016，111105，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. 2020，322003492），郭俊淩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够抵禦抗生素傷害的平臺化科技，命名為益生菌納米盔甲（如圖1所示）。
圖1.盔甲化益生菌的製備和腸道菌群穩態調控機理
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（如圖2所示）。
圖2.不同益生菌菌株以及對應的盔甲化益生菌的抗生素耐受性測試
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（如圖3所示）。
圖3.納米盔甲抵禦抗生素的分子機理
凍幹的盔甲化益生菌在適當條件下可以快速復蘇。本研究成功把盔甲化益生菌的凍幹粉末封裝在腸溶膠囊裏，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（如圖4所示）。
圖4.盔甲化益生菌在類比腸液中的活性測試
動物實驗表明，盔甲化益生菌在持續使用抗生素的情况下仍能成功定植於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準予的食品添加劑作為主要資料，具有良好的生物相容性與安全性，解决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床現實問題，在未來具有廣闊的應用前景。現時，該研究部分科技已完成合作企業授權，同時研究團隊也在規劃臨床I期實驗。
該工作得到了國家“海外高層次人才計畫”，國家自然科學基金，中國博士後基金，四川省“高層次人才計畫“，四川省重點研發項目，四川省科技計畫，四川省博士後基金及成都市科技計畫等項目的支持。
圖5.盔甲化益生菌在動物實驗的結果以及組織學結果
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29672-z
通訊作者簡介
郭俊淩教授，博士生導師，國家“海外高層次人才計畫”青年專家、四川省“高層次人才計畫”專家，四川大學“雙百人”引進特聘教授，加拿大英屬哥倫比亞大學客座教授，教育部輕工科技與工程學科評估專家，教育部科學技術獎评审專家，成都市“蓉漂計畫”國家級領軍人才創新創業項目得主，成都市高新區產業教授，中國科學技術協會/中國化學會《Chinese Chemical Letters》編委會委員，成都市委統戰部“歐美同學會”社會服務專委會副主任，川渝科技學術大會二等獎，四川大學科學技術獎優秀科技人才獎得主。郭俊淩教授主要參與建立了以植物多酚（植物單寧）和皮膠原纖維為覈心的生物質基先進資料研究方向，嘗試解决包括重大疾病治療、生殖醫學健康、先進農業技術、微生物綠色合成、高效海水提鈾、新一代能源電池等多個領域的重要科學問題，受到國內外學者的廣泛關注。相關研究以通訊/第一作者在《Science》、《Nature Nanotechnology》、《Nature Communications》《ScienceAdvances》等國際頂級期刊上發表，共發表論文100餘篇，並被多家國際著名新聞媒體報導，包括美國科學促進會EurekAlert！、哈佛Harvard Gazette、德國之音等。依託四川大學國家“雙一流”重點建設學科，建立了生物質先進資料研究中心（https://www.bmicenter.org/），帶領高度學科交叉的研究團隊，開展了生物質先進資料與納米尺度介面的基礎研究，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/博士後並在高水准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。請將簡歷及自薦信發送至：junling.guo@scu.edu.cn。
張曜耀，四川省特聘專家、省高層次人才計畫青年專家、四川大學“雙百人才計畫”特聘專家、國家自然科學基金評審專家、華西第二醫院研究生導師。以第一作者或通訊作者在Molecular Cell，Nature Commun.，SignalTransduct.&Targeted Ther.，European Journal of Cancer等國際頂級期刊發表論文，成果被Nature，Cell，Nature Medicine等頂級期刊引用。
專家點評：
賈大，四川大學華西第二醫院教授，國家傑出青年基金得主
腸道菌群是一個龐大的微生物群落，在免疫調節和維持生理健康等方面發揮著重要作用。益生菌作為腸道疾病的潜在治療方法備受關注，因為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，這些治療往往伴隨著針對病原體的抗生素用藥。在這些情况下，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，是一種解决抗生素對益生菌不精確的殺傷作用的有效方法。
四川大學郭俊淩教授聯合哈佛大學、麻省理工學院、華西附二院專家團隊在最近的Nature Communications論文報導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（被稱為“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，從而封锁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，為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，並改善了相關生理名額。該工作綜合運用了生物化學和材料學等多種科技手段，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，很難想像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科技，具有巨大的基礎科學研究以及應用價值。另外，作為分子機制創新的範例，基於多酚-金屬網絡的細菌表面修飾為之後的無機-生物雜化研究提供了新方向。郭俊淩教授早期的工作揭示了多酚-金屬基資料在不同介面模組化組裝的潜力，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强的國際競爭力。我向他、他的實驗室成員和合作者表示最熱烈的祝賀。
參考文獻：
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