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我院与学校轻工学院医工结合科研团队在单细胞涂层技术
用于益生菌耐抗生素相关研究取得重要进展

近日,张曜耀医师、学校轻工科学与工程学院郭俊凌教授、美国哈佛大学Neel S. Joshi教授联合团队,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。该研究成果发表于国际顶级期刊《Nature Communications》。文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-29672-z

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。

基于前期郭俊凌教授与墨尔本大学Frank Caruso教授(英国皇家科学院院士、澳大利亚工程院院士、科学院院士)关于金属-多酚网络(me-x-tal-phenolic network)的相关研究(Nat. Nanotech., 2016, 11, 1105Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 5546-5551);与哈佛大学Neel S. Joshi教授以及著名化学家Daniel Norcera教授关于无机-生物杂化的相关研究(Science, 2018, 362, 813);以及与哈佛大学著名药物递送专家Samir Mitragotri教授(美国工程院院士、美国医学院院士)合作关于多功能化的细胞生物平台的相关研究(Adv. Mater. 2020, 322003492),张曜耀郭俊凌教授联合团队将多酚界面组装的方法扩展应用在益生菌上,创建一种使益生菌能够抵御抗生素伤害的平台化技术,命名为益生菌纳米盔甲(如图1所示)。

图1. 盔甲化益生菌的制备和肠道菌群稳态调控机理

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(如图2所示)。

图2. 不同益生菌菌株以及对应的盔甲化益生菌的抗生素耐受性测试


 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。这种保护作用即使在益生菌分裂并突破这层保护壳后仍然存在(如图3所示)。


图3. 纳米盔甲抵御抗生素的分子机理


       冻干的盔甲化益生菌在适当条件下可以快速复苏。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(如图4所示)。

图4. 盔甲化益生菌在模拟肠液中的活性测试

动物实验表明,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(如图5所示)。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。目前,研究团队正在积极推进该技术的转化及临床应用。

该工作得到了国家海外高层次人才计划,国家自然科学基金,中国博士后基金,四川省高层次人才计划,四川省重点研发项目,四川省科技计划,四川省博士后基金及成都市科技计划等项目的支持。





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