中科大刘世勇/胡进明团队Angew：工程化益生菌实现双气体递质靶向肠道递送用于治疗炎症性肠病

炎症性肠病（IBD）是一种慢性炎症性肠道疾病，目前尚无治愈方法。其病因涉及遗传易感性、黏膜屏障功能障碍、肠道微生物群失衡、免疫失调及环境因素。IBD患者中焦虑和抑郁的发生率较高，肠脑轴的作用加剧了这些共病，降低了患者生活质量并增加了医疗负担。气体信号分子如一氧化碳（CO）和硫化氢（H2S），在临床和临床前模型中已显示出显著的治疗潜力，能够调节多种病理生理过程，如血管舒张、血管生成和免疫反应，但这些气体分子的靶向递送仍面临严峻挑战。益生菌如E. coli Nissle 1917（EcN）被认为是IBD的潜在治疗工具，因其能调节免疫、增强上皮屏障并改善肠道微生物群。然而，EcN在胃肠道内易被胃酸和胆盐破坏，且IBD环境中高水平活性氧可导致其死亡。

为解决这一问题，中科大刘世勇教授/胡进明教授团队将益生菌EcN与CO/H2S释放共聚物（POSR）共载，设计出工程化益生菌POSR@EcN，实现了肠道递送气体信号分子。POSR@EcN在胃肠道中表现出增强的定植能力。小鼠IBD模型实验表明，经口服并辅以超声（US）治疗后，CO和H2S在炎症部位局部释放，促进M1型巨噬细胞向M2型巨噬细胞转化，抑制炎症介质iNOS和TNF-α的表达，从而缓解肠道炎症。此外，CO/H2S递送提高了紧密连接蛋白ZO-1和occludin的表达，恢复了肠道屏障完整性，并显著增加肠道微生物群多样性，促进有益菌群生长及短链脂肪酸（SCFAs）的产生。同时，CO/H2S促进乳酸菌和梭状芽孢杆菌生长，提高了吲哚乙酸（IAA）和吲哚乙酰胺（IAM）水平，调节肠脑轴，抑制小胶质细胞激活，缓解IBD小鼠的焦虑和抑郁样行为，并恢复认知功能。相关成果以“Engineered Probiotics Enables Targeted Gut Delivery of Dual Gasotransmitters for Inflammatory Bowel Disease Therapy”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》上，第一作者为马腾飞，干桂海为共同一作。

POSR@EcN的设计与制备

研究团队通过可逆加成-断裂链转移聚合合成了三种无规共聚物，这些共聚物均含有相同量的OHF作为气体释放基元、RhB作为荧光标记物，并分别包含OEGMA、MPC或ODEA作为亲水基元（图1a）。无规共聚物自组装形成了直径相近的球形胶束（约30–32 nm；图1b）。随后，研究团队将这些具有等强度荧光的共聚物胶束与益生菌EcN共孵育并通过流式细胞术及CLSM评估细胞内荧光信号（图1c-f）。细菌流式细胞术数据和CLSM图像表明，含有三乙胺N-氧化物基团的POOR共聚物在益生菌EcN中表现出增强的内化能力。

图1：聚合物的设计与筛选

进一步研究团队合成了与POOR具有相同亲水端的POSR无规共聚物，在将POSR组装成胶束（30 nm；Figure 4.12a，b）后，研究团队首先评估了POOR和POSR胶束在超声US辐照下的降解速率。定量分析表明，POSR的表观降解速率（0.046 min-1）约为POOR（0.021 min-1）的两倍（图2a）。此外，CLSM进一步证实了POSR在益生菌EcN中的高效内化（图2b）。EcN对POSR的负载效率高达86.2%（图2c），POSR释放CO和H2S而不影响EcN的存活率（图2d）。更重要的是，尽管POSR被EcN内化，US辐照并未改变其气体释放速率（图2e）。鉴于CO和H2S具有高扩散性，这些气体信号分子在US辐照后可迅速扩散至细胞外（图2f）。

图2：聚合物POSR的性能表征

POSR@EcN对IBD的治疗

研究结果表明，POSR负载显著提高了EcN在小鼠胃肠道环境中的耐受性，提高了益生菌的肠道定植能力（图3a）。局部释放的CO/H2S显著降低疾病活动指数（DAI）（图3b），降低了结肠组织中的氧化应激水平（图3c），并有效促进上皮修复，恢复肠道屏障完整性（图3d）。POSR@EcN + US处理显著增加了拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度（图3e），促进了丁酸、异丁酸和乙酸等SCFAs的水平上调（（图3f）），从而增强免疫调节，减少了肠道炎症，增强对病原体的抵抗力，并最终维持肠道健康。

图3：工程化益生菌POSR@EcN的性能表征

POSR@EcN对IBD诱导的抑郁样行为的治疗

行为学实验（图4a，b）和GFAP和Iba1标记物对海马体组织的免疫荧光染色（图4c），表明POSR@EcN治疗后IBD诱导的情绪和认知障碍、神经炎症程度减缓。局部释放CO/H2S通过上调吲哚产生菌以及色氨酸的中间代谢产物IAM和最终代谢产物IAA激活小胶质细胞和星形胶质细胞中的芳烃受体，抑制NLRP3通过NF-κB信号通路的表达，减少IL-1β产生，并发挥神经保护作用（图4e-g）。

图4：工程化益生菌POSR@EcN通过肠脑轴对抑郁样行为和神经炎症的调控

总结

研究团队开发了一种简单而有效的方法，通过引入释放CO/H2S的共聚物来改造益生菌EcN。所得到的工程化POSR@EcN在胃肠道中的定植能力得到增强，经口服给药后，通过超声触发CO/H2S气体递质靶向输送到IBD病理部位。CO和H2S通过诱导巨噬细胞从促炎的M1表型向抗炎的M2表型极化，促进IBD中的免疫调节，并通过上调紧密连接蛋白（ZO-1和occludin）并改善内皮细胞功能，恢复肠道屏障的完整性。此外，CO和H2S促进有益细菌的生长，减少了致病物种的数量，使得肠道产生大量的SCFAs，有效缓解了DSS诱导的IBD。除了对肠道健康的影响，CO和H2S还促进了IAA、IAM等代谢物的产生，这些代谢物有助于缓解焦虑和抑郁行为。通过调节肠脑轴，POSR@EcN抑制了小胶质细胞的激活，减少了神经炎症，改善了IBD小鼠的抑郁情绪和认知功能。这种方法克服了气体递质靶向病理部位的挑战，推动了它们在治疗IBD及相关共病中的治疗潜力。

来源：高分子科学前沿

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