Cell：好风凭借力！鼻到脑靶向给药新策略——工程共生菌

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鼻腔内的嗅上皮（olfactory epithelium，OE）是嗅觉感受器官，是人身体内部与外界环境沟通的一个重要出入口，也是一种嗅脑屏障。通过OE进行鼻腔给药提供了一种直接通向脑部靶向治疗递送的途径，尽管其可行性受到OE解剖结构和吸收能力限制的影响。

基于此，2025年2月5日新加坡国立大学合成生物学临床与技术创新实验室Matthew Wook Chang研究团队在Cell杂志发表了“Engineered commensals for targeted nose-to-brain drug delivery”揭示了靶向鼻到脑药物递送的工程共生菌。

在本研究中，作者鉴定出了一种对OE具有天然亲和力的共生菌株——植物乳杆菌WCFS1（Lactiplantibacillus plantarum，Lp），并对其进行改造以作为脑部药物递送的载体。通过鼻腔给药后，Lp在OE内释放特定的有效载荷分子，并随后转运和积累在脑部。为了验证Lp的治疗效果，通过重组生产并分泌调节食欲的激素进行了进一步的研究。在肥胖预防的小鼠模型中进行鼻腔给药时，工程化的Lp明显缓解了与肥胖相关的症状。体现在食欲下降、体重增加减少以及葡萄糖代谢改善和脂肪沉积减少等方面。作者的研究表明，Lp作为一种鼻腔递送载体的能力，强调了其在脑部靶向治疗应用中的潜力。

图一 通过工程化Lp进行鼻腔递送重组食欲调节激素

作者首先针对嗅上皮中特有的顶端N-乙酰肝素硫酸酯（NaHS）进行细菌结合，发现一种口服共生菌—植物乳杆菌WCFS1（Lp）通过其表面寡肽底物结合蛋白（OppAs）识别NaHS。为了验证这一策略，使用异硫氰酸荧光素（FITC）作为示踪剂来可视化由Lp辅助的鼻内递送效果。在小鼠中，FITC标记的Lp在鼻内给药后显示出在OE中的特异性定位，并导致FITC逐渐释放并随后在嗅球（OB）中积累。在确认FITC成功递送后评估了Lp递送治疗药物的潜力。随后对Lp进行了工程改造，使其分泌三种食欲调节激素：瘦素、α-促黑素细胞激素（a-MSH）和脑源性神经营养因子（BDNF）。在高脂饮食的小鼠中给予这种工程化的Lp显著减少了体重增加，改善了脂肪沉积，并改善了葡萄糖代谢。作者进一步比较了分泌瘦素的Lp与重组瘦素（r-Lep）在预防小鼠肥胖方面的效果，采用了每日给药和隔日给药两种方案。在较低频率下给药时，工程化的Lp导致瘦素在OE中的持续存在，并且在肥胖预防方面表现出比r-Lep更明显的改善，表现为更好的食欲抑制、体重维持和葡萄糖代谢。

图二 Lp在小鼠嗅上皮中的靶向定位

OE具有独特的顶端分布特征，NaHS（N-乙酰肝素）在嗅觉神经元轴突末端的分布使其区别于其他鼻腔上皮。这种特性使OE成为病毒感染神经元或相邻支持细胞并潜在进入中枢神经系统的结合位点。非分泌性鼠骨髓瘤（NS0）细胞系在其细胞表面表达NaHS，并已被用于研究病毒蛋白与OE之间的相互作用。基于此，本研究使用NS0细胞系来评估细菌对NaHS及其扩展到OE的结合能力。Lactobacillus菌株表现出显著高于其他菌株的结合效率，其中Lp对NS0细胞的结合效率最高。FITC标记的Lp菌株与NS0细胞孵育后，超过24%的NS0细胞与细菌结合。基于此结果，推测Lp对NaHS具有亲和力，可能是OE附着的潜在候选菌株。通过免疫沉淀实验鉴定出Lp中一个约63 kDa的NaHS结合蛋白（Lp_0783），属于OppA家族。结果显示三种蛋白（Lp_0092、Lp_0783和Lp_3686）对NS0细胞显示出显著增强的结合能力，而对CHO-K1细胞的结合较弱，表明它们对NaHS有偏好性结合。使用FITC标记的Lp菌株通过鼻腔给药至小鼠，使用IVIS成像系统观察其在鼻上皮和脑组织中的分布。给药后24小时，Lp主要集中在OE区域，特别是在嗅球附近。然而，在48和72小时后，OE内的细菌数量明显减少，荧光强度减弱。结果表明OppA蛋白对OE靶向定位至关重要。Lp菌株能够特异性结合NaHS，并在鼻腔给药后有效定位于OE。OppA家族蛋白（尤其是Lp_0092、Lp_0783和Lp_3686）增强了Lp在OE中的定位能力，表明这些蛋白在鼻腔递送系统中具有重要作用。

图三 FITC从固有层向嗅球的转运

在鼻内给药3天后，新生嗅上皮固有层中就已明显可见异硫氰酸荧光素的这种扩散与积累。仅在给予Lp菌株7天和14天后，才观察到FITC通过神经周隙扩散至前嗅球。使用IVIS进行的体内成像证实，在鼻内给药第7天和第14天，FITC在嗅球中逐渐积累。此外，对大脑的侧面成像显示，其他区域也有荧光信号，表明FITC在大脑内分布更为广泛。FITC从嗅球扩散至大脑其他部位，证实Lp菌株主要通过嗅觉通路将FITC输送至前脑，而非通过靶向脑干的三叉神经通路。鉴于观察到FITC进入了血液循环，作者通过静脉注射直接向小鼠给予5毫克FITC，以排除循环中的FITC可能导致其在大脑中积累的可能性。给药14天后，在肺、肝、脾、心脏或肠道中均未检测到FITC。与接受鼻内给予Lp的小鼠相比，接受静脉注射FITC的小鼠在肾脏中的FITC积累量相对较高，但在嗅球或整个大脑中均未出现FITC积累。这些研究结果证实，通过靶向嗅上皮，鼻内给予的Lp能够通过嗅觉通路有效将负载的FITC输送至大脑。

总结

本文研究了通过工程化改造共生菌实现鼻腔到脑部的靶向药物递送。经过基因工程改造后的共生菌能够在鼻腔黏膜上定植，并通过嗅觉神经或三叉神经通路将药物直接递送到脑组织，绕过了血脑屏障。实验结果显示，这种递送方式不仅能够有效改善与肥胖相关的症状，还在鼻腔给药后成功将药物递送到嗅球及其他脑区。进一步的安全性和有效性评估表明，工程化共生菌作为鼻腔递送载体具有显著的应用潜力，特别是在治疗中枢神经系统疾病方面。未来的研究将继续优化这一技术，以提升其安全性和有效性，并推动其临床应用。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.017

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