益生菌的前药集成包膜增强溃疡性结肠炎的靶向治疗

背景

人类肠道是数万亿微生物的家园，这些微生物形成了一个复杂的群落，称为肠道微生物群。越来越多的研究表明，一些肠道微生物在免疫调节、稳态维持和宿主健康中发挥着重要作用。溃疡性结肠炎 (UC)是一种起病于直肠的慢性复发性疾病，通常以连续方式向近端延伸，贯穿部分或整个结肠，影响全球数百万患者，已被证明与微生物生态失调密切相关。例如，在UC中，与Tregs分化、扩增和上皮细胞生长相关的丁酸盐产生菌粪链球菌的数量减少。而UC中硫酸还原菌的增多会导致硫酸氢盐的产生，从而破坏肠屏障，激活黏膜炎症。脆弱拟杆菌可通过促进调节性T细胞的发育减轻UC炎症。此外，激活法尼醇激活的X受体 (FXR，一种胆汁酸感受器)通过抑制核因子-ΚB (NF-ΚB)信号对UC具有保护作用。然而，肠道细菌产生的胆盐水解酶对FXR的激活至关重要，而肠道微生物群失调可能对FXR信号传导产生直接影响。益生菌被认为可以调节肠道微生物群的组成，并被探索为治疗UC的有前景的策略。然而，由于益生菌在胃肠道中会受到胃酸、消化酶或胆盐的严重破坏，口服药物会导致大量患者死亡，因此益生菌在疾病防治中难以有效发挥其有益作用。此外，胃肠道 (GI)的快速转运时间导致益生菌无法保留和定植肠道。为了克服这些挑战，人们开发了几种方法，如胶囊、片剂和颗粒。虽然这些方法成功地防止了酸和酶的化学降解，但肠道滞留时间短仍未得到有效解决。因此，提高益生菌在极端条件下的存活率，同时加强其增殖和定植，对于确保其作为健康促进剂的最佳功能至关重要。

简介

2011年12月11日，来自重庆大学的Kun Zhang及其团队在ADVANCED SCIENCE (IF: 17.521)杂志上发表名为Prodrug Integrated Envelope on Probiotics to Enhance Target Therapy for Ulcerative Colitis的研究[1]。

研究亮点

溃疡性结肠炎 (UC)影响全球数百万患者，与肠道微生物群紊乱相关。基于益生菌的治疗积极调节肠道微生物群的群落结构，被认为是治疗UC的有效干预措施。然而，益生菌口服给药受限于其生物活性有限、滞留时间短、病理条件复杂及疗效单一等特点。在此，我们构建了一种装饰有多功能前药涂层的生物工程益生菌来改善上述缺点。葡聚糖硫酸钠诱导的UC小鼠实验结果表明，所制备的涂层具有保护肠道微生物、结肠靶向药物释放、延长药物滞留和炎症调节等内在特性。同时，益生菌鼠李糖乳杆菌GG (LGG)可以调节肠道微生物群组成，改善上皮屏障功能，从而协同改善UC。这些结果为UC的治疗提供了充分的证据，因此显示了作为UC治疗的潜在治疗策略的巨大前景。

主要结果

本研究开发了一种构建口服生物工程益生菌的简单有效的方法，该益生菌能够抵抗整个胃肠道的消化，调节病理环境，调节微生物组成，从而改善UC (方案1)。特别是由脂质前体药物 (LPC-Bal)组成的涂层使鼠李糖乳杆菌GG (LGG)具有抵抗胃肠道消化液的能力，以保持其生物活性。前体药物进入结肠后，在偶氮还原酶作用下释放5-ASA，抑制结肠炎症，改善病理环境，为LGG定植提供了良好的微环境。同时，LGG能够有效地在肠道定植，进而调节肠道微生物群，以协同改善UC病变。

方案1. LBL制备过程及LBL治疗溃疡性结肠炎 (UC)机制示意图

通过检测LBL的生存力和生长情况，以验证涂层对LGG的保护作用。从结果可以看出，未涂覆的LGG淋巴瘤细胞增殖迅速，而LBL淋巴瘤细胞在约2小时内表现出增殖抑制 (图2a)。然而，未涂覆和涂覆LGG具有相似的生长速率和最终达到相似的数量，表明涂层没有显著影响LGG的最终活性。对于2小时的生长停滞，应该是由于涂层屏蔽了LGG与环境之间的物质和能量交换。然后，对模拟胃液 (SGF)或模拟肠液 (SIF)的保护作用进行验证 (图2b)。将等量的LGG和LBL分别与SGF或SIF在37℃孵育，然后在预定的时间间隔进行菌落计数。结果表明，酸性条件下细菌大量死亡，LGG孵育4小时内细菌完全死亡。然而，LBL表现出良好的胃酸抗性，这归因于涂层的存在 (图2c)。在SIF的孵育过程中也观察到类似的趋势。结果表明LGG固有地对肠道消化液具有一定的抵抗能力，直到2小时才检测到显著的差异，而这种差异随着孵育时间的延长逐渐增加 (图2d)。SIF作用6小时后，LBL的存活率是未修饰LGG的1.6倍。为了进一步证实增强的阻力归因于涂层的存在，流式细胞术被分析。涂层是稳定的，因为荧光信号即使在SGF中孵育长达4小时也可以检测到，这超过了小鼠的胃潴留时间 (图2e)。在SIF中，从2小时到6小时，荧光强度略有变化，但较低，再次强调了涂层的稳定性 (图2f)。此外，CLSM图像显示，随着孵育时间的延长，涂层已经从细菌上脱落，但仍有部分细菌与涂层共定位 (图2g)。TEM图像直观地显示了LBL的形态，在SGF中，一些细菌在没有涂层的情况下出现了异常，一些细菌在4小时时仍然被不透明的外壳包裹 (图2h)。综上所述，这些结果表明，该涂层在胃酸和肠消化液条件下是稳定的，证明了保护益生菌的可行和有效的方法。

图2. LBL对模拟恶劣环境的体外抗性研究

肠道微生物群失衡在UC中起着至关重要的作用。因此，我们分析了LBL对肠道微生物群群落结构的影响。采用Qiime2软件分析扩增子序列变异 (ASV)并计算多样性指数。在LBL给药小鼠中，alpha多样性指数 (包括Chao 1指数、Shannon指数和逆Simpson指数)显著增加，表明LBL可以正向调节肠道微生物群结构 (图6a-c)。采用主成分分析 (PCA)、主坐标分析 (PCoA)和非度量多维尺度 (NMDS)评估β多样性，探索和可视化肠道微生物群的异同。PBS + 3% DSS处理组与其他处理组分离明显，表明PBS + 3% DSS的肠道微生物群组成在DSS的影响下发生了明显的变化。此外，毛螺菌科和瘤胃球菌科可通过产生短链脂肪酸、将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸、促进宿主对肠道病原体的定植抵抗等方式影响宿主。大量乳杆菌科的乳杆菌在UC的治疗中发挥着重要作用。综上所述，这些结果强调了LBL可以通过增加有益菌和减少致病菌来显著恢复UC患者中失衡的肠道微生物群。

图6. LBL对肠道微生物群落的调控

结论及展望

综上所述，本研究构建了一种具有多功能涂层的生物工程益生菌，并证明其能够改善DSS诱导的小鼠UC。体外实验表明，该涂层可以保护LGG免受SGF和SIF的攻击，从而维持细菌的生物活性。此外，该涂层对Caco-2细胞具有良好的抗炎能力。体内实验结果进一步表明，与原生LGG相比，LBL的肠道定植增强。此外，LBL给药后，全身和结肠组织炎症水平显著降低，受损的肠道屏障功能和失调的肠道微生物群得到改善。这些结果表明，在益生菌和药物的协同作用下，LBL有望成为可行和有效的UC治疗的候选药物。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202205422

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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