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Nature子刊:植物多酚盔甲化益生菌,可有效改善抗生素致腹泻

时间:2022-04-20 14:05来源:中国生物技术网 作者:bio149发布 浏览次数:
  近日,四川大学轻工科学与工程学院郭俊凌教授、华西第二医院张曜耀医生、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。该研究成果于2022年4月19日发表于国际顶级期刊《Nature Communications》。四川大学轻工学院博士生潘界舟与博士后龚贵东为论文的共同第一作者。
 

 
  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(Metal-phenolicnetwork)的相关研究(Nat. Nanotech., 2016, 11,1105,Angew. 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, 32, 2003492),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,该研究部分技术已完成合作企业授权,同时研究团队也在规划临床I期实验。

  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。
图5. 盔甲化益生菌在动物实验的结果以及组织学结果

论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29672-z

通讯作者简介
郭俊凌教授,博士生导师,国家“海外高层次人才计划”青年专家、四川省“高层次人才计划”专家,四川大学“双百人”引进特聘教授,加拿大英属哥伦比亚大学客座教授,教育部轻工技术与工程学科评估专家,教育部科学技术奖评委专家,成都市“蓉漂计划”国家级领军人才创新创业项目获得者,成都市高新区产业教授,中国科学技术协会/中国化学会《Chinese Chemical Letters》编委会委员,成都市委统战部“欧美同学会”社会服务专委会副主任,川渝科技学术大会二等奖,四川大学科学技术奖优秀科技人才奖获得者。郭俊凌教授主要参与建立了以植物多酚(植物单宁)和皮胶原纤维为核心的生物质基先进材料研究方向,尝试解决包括重大疾病治疗、生殖医学健康、先进农业技术、微生物绿色合成、高效海水提铀、新一代能源电池等多个领域的重要科学问题,受到国内外学者的广泛关注。相关研究以通讯/第一作者在《Science》、《Nature Nanotechnology》、《Nature Communications》《ScienceAdvances》等国际顶级期刊上发表,共发表论文100余篇,并被多家国际著名新闻媒体报道,包括美国科学促进会EurekAlert!、哈佛Harvard Gazette、德国之音等。依托四川大学国家“双一流”重点建设学科,建立了生物质先进材料研究中心(https://www.bmicenter.org/),带领高度学科交叉的研究团队,开展了生物质先进材料与纳米尺度界面的基础研究,同时牵动引领了轻工与跨学科协同发展。
研究团队招聘及要求:岗位:管理行政助理1名(薪酬具有竞争力),科研助理2名(硕士及以上学历),优秀博士、硕士研究生多名。具有海外博士学历/博士后并在高水平期刊发表论文的申请人,将协助申请四川大学特聘教授(研究员)、特聘副教授(副研究员)加入BMI团队。请将简历及自荐信发送至:junling.guo@scu.edu.cn
张曜耀,四川省特聘专家、省高层次人才计划青年专家、四川大学“双百人才计划”特聘专家、国家自然科学基金评审专家、华西第二医院研究生导师。以第一作者或通讯作者在Molecular Cell, Nature Commun., SignalTransduct.&Targeted Ther.,European Journal of Cancer等国际顶级期刊发表论文,成果被Nature, Cell, Nature Medicine等顶级期刊引用。

专家点评:

贾大,四川大学华西第二医院教授,国家杰出青年基金获得者

肠道菌群是一个庞大的微生物群落,在免疫调节和维持生理健康等方面发挥着重要作用。益生菌作为肠道疾病的潜在治疗方法备受关注,因为它们可以抑制病原体的定植,并积极地调节肠道内的菌落组成。然而,这些治疗往往伴随着针对病原体的抗生素用药。在这些情况下,益生菌的疗效会因其对抗生素的敏感性而受到影响。将有益细菌物理封装在保护壳内,是一种解决抗生素对益生菌不精确的杀伤作用的有效方法。

四川大学郭俊凌教授联合哈佛大学、麻省理工学院、华西附二院专家团队在最近的Nature Communications论文报道了益生菌可以通过由单宁酸和铁离子组成的生物相容性超分子涂层(被称为 "益生菌纳米装甲")进行单细胞涂层。被纳米装甲保护的盔甲化益生菌在抗生素作用下可以很好的维持其生物活性。该纳米盔甲提供了对各种不同结构和作用机制的抗生素的保护,并克服了抗生素和益生菌同时服用后益生菌活性保护的关键问题。纳米盔甲通过分子间的相互作用使抗生素不精确的杀伤作用失活,从而阻止了细胞的吸收和杀伤作用。基于多酚的纳米护甲通过吸收护甲益生菌附近的各种抗生素,为益生菌创造了一个低抗生素浓度的微环境。这种保护机制显示出持久的保护作用,甚至在益生菌分裂并突破纳米装甲的外壳后也是如此。在大鼠模型中,他们展示了盔甲化益生菌在持续服用抗生素的大鼠肠道的成功定植,并改善了相关生理指标。该工作综合运用了生物化学和材料学等多种技术手段,从多个角度、不同层次对提出的分子机制和功能进行了充分验证。

对细菌的封装技术已经建立多年,很难想象简单的封装技术就能使益生菌及其子代在抗生素环境下维持活性,该技术提供了重要的细胞工程底盘技术,具有巨大的基础科学研究以及应用价值。另外,作为分子机制创新的范例,基于多酚-金属网络的细菌表面修饰为之后的无机-生物杂化研究提供了新方向。郭俊凌教授早期的工作揭示了多酚-金属基材料在不同界面模块化组装的潜力,而这一新的突破性发现清楚地表明,他领导的实验室在益生菌治疗领域具有很强的国际竞争力。我向他、他的实验室成员和合作者表示最热烈的祝贺。


参考文献:
 
1. Knight, D. & Girling, K. Gut flora in healthand disease. Lancet 361, 512-519 (2003).
 
2. Piewngam, P. et al. Pathogen elimination byprobiotic Bacillus via signalling interference. Nature 562, 532-537 (2018).
 
3. Kamada, N., Chen, G. Y., Inohara, N. &Núñez, G. Control of pathogens and pathobionts by the gut microbiota. Nat.Immun. 14, 685-690 (2013).
 
4. Lewis, S. 'Chillax' with probiotics. Nat. Rev.Neurosci. 12, 549 (2011).
 
5. Suez, J. et al. Post-antibiotic gut mucosalmicrobiome reconstitution is impaired by probiotics and improved by autologousFMT. Cell 174, 1406-1423 (2018).

 


 
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