纳米功能化益生菌通过抑制肠道微生物-TMA-TMAO轴治疗动脉粥样硬化

《Nature Communications》：Nano-functionalized probiotic treats atherosclerosis via inhibiting intestinal microbiota-TMA-TMAO axis

动脉粥样硬化是严重威胁人类健康的心血管疾病，部分患者缺乏典型风险因素，预后较差。肠道菌群代谢产生的氧化三甲胺（TMAO）是动脉粥样硬化的新型风险因子。研究人员开发了一种口服纳米功能化益生菌（PDMF@LGG），它由聚多巴胺包被的鼠李糖乳杆菌GG（LGG）和负载氟甲基胆碱（FMC）的活性氧（ROS）响应型纳米颗粒（PMF）构成。该益生菌能有效定植肠道，清除ROS并控制释放FMC，抑制菌群产生三甲胺（TMA），同时修复肠道屏障减少TMA吸收，从而显著降低血浆TMAO水平，在ApoE-/-小鼠模型中成功减轻动脉粥样硬化斑块形成，并调节肠道菌群组成和血清代谢谱。该研究为靶向肠道微生物-TMA-TMAO轴治疗动脉粥样硬化提供了新策略。

　　

在心血管疾病领域，动脉粥样硬化如同一颗“定时炸弹”，是导致心肌梗死、脑卒中等一系列严重临床事件的根本原因。尽管血脂异常、高血压等传统风险因素已得到广泛认知和有效管理，但临床上仍存在一部分动脉粥样硬化患者，他们并不具备这些典型的风险因素，却面临着更高的死亡风险和更差的治疗结局。这一严峻的现实凸显了探寻动脉粥样硬化非传统致病机制和开发新型干预策略的紧迫性。

近年来，科学家的目光投向了人体内一个复杂的“微宇宙”——肠道微生物群。研究发现，日常饮食中的营养物质，例如在红肉、蛋黄等食物中富含的胆碱，可以被特定的肠道微生物通过其特有的TMA裂解酶（CutC/D）转化为三甲胺（TMA）。TMA经门静脉吸收进入血液循环，到达肝脏后，在黄素单加氧酶（FMO3，主要是FMO3）的催化下，被氧化成氧化三甲胺（TMAO）。大量研究证实，高水平的血浆TMAO是动脉粥样硬化发生和发展的独立危险因素，它能通过促进泡沫细胞形成、损伤血管内皮功能、加剧慢性炎症和影响胆固醇代谢等多种途径，共同助推动脉粥样硬化的进程。因此，靶向“肠道微生物-TMA-TMAO”这一代谢轴，为治疗由TMAO驱动的心血管疾病提供了极具吸引力的新思路。

然而，现有的干预手段各有局限。严格限制胆碱摄入可能导致这种必需营养素的缺乏；抑制肝脏FMO3活性又可能干扰其他药物的正常代谢，且会导致TMA在体内积聚。直接靶向微生物源性的CutC/D酶被视为一种更安全的策略，其中，氟甲基胆碱（FMC）作为一种胆碱类似物，能有效抑制CutC/D活性，降低TMA生成。但FMC本身水溶性好，在肠道内代谢迅速，作用时间短，限制了其疗效。另一方面，口服益生菌（如鼠李糖乳杆菌GG，LGG）能够调节肠道菌群平衡、增强肠道屏障功能，从而减少TMA的吸收，并可能带来抗炎、调节脂代谢等多重益处。但益生菌在口服过程中需要经受胃酸、胆汁盐等恶劣环境的考验，且在病理性的高氧化应激状态下存活率和肠道定植能力往往不佳。

面对这些挑战，来自浙江大学医学院附属邵逸夫医院等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究。他们巧妙地将纳米技术与益生菌疗法相结合，开发出一种名为PDMF@LGG的纳米功能化益生菌，旨在多管齐下，精准抑制肠道微生物-TMA-TMAO轴，从而有效治疗动脉粥样硬化。

为了开展这项研究，作者团队运用了几个关键的技术方法。他们首先通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合技术，合成了一种活性氧（ROS）响应的聚合物前药（PMF），该聚合物由甲基硫代乙醇酯（MEMA）单体和氟甲基胆碱（FMC）通过可被ROS断裂的草酸酯键连接的单体（FAOE）共聚而成，能自组装成纳米颗粒。随后，利用聚多巴胺的粘附性和反应活性，通过酰胺化反应将PMF纳米颗粒共价连接在鼠李糖乳杆菌GG（LGG）表面，构建出纳米功能化益生菌PDMF@LGG。研究使用高胆碱饮食喂养的C57BL/6J和ApoE^-/-小鼠作为模型，通过体内外成像技术评估了PDMF@LGG的肠道定植能力，并通过酶联免疫吸附测定（ELISA）、蛋白质印迹（Western Blot）、免疫荧光、组织染色（如油红O染色）、16S rRNA基因测序和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）代谢组学等技术，系统评价了其对TMA-TMAO代谢轴、动脉粥样硬化斑块、肠道菌群及血清代谢物的影响。

制备与表征PMF纳米颗粒及PDMF@LGG

研究人员成功设计并合成了基于PMF的ROS响应型纳米颗粒。表征结果显示，PMF纳米颗粒粒径均一，约89纳米，呈规则球形。在高浓度过氧化氢（H₂O₂，>0.1 mM）条件下，纳米颗粒结构会发生解组装，从而实现FMC药物的可控释放。同时，PMF纳米颗粒展现出良好的H₂O₂清除能力，能有效保护LGG免受氧化损伤。通过聚多巴胺介导的共价连接，PMF纳米颗粒被成功锚定在LGG表面，形成PDMF@LGG。这种功能化修饰并未影响LGG的增殖活性，反而显著增强了其对模拟胃液、肠液和胆汁盐的耐受性，为口服后的肠道存活和定植奠定了基础。

肠道定植能力评估

体外细胞粘附实验和体内小鼠模型实验均证实，得益于聚多巴胺涂层提供的强粘附性以及PMF纳米颗粒的抗氧化保护作用，PDMF@LGG在肠道内的定植能力和滞留时间均显著优于游离的LGG或PMF纳米颗粒。活体成像显示，PDMF@LGG能在肠道（尤其是结肠和盲肠）有效滞留超过12小时。此外，与游离PMF纳米颗粒相比，PDMF@LGG formulation能极大减少纳米颗粒通过肠道黏膜进入血液循环的量，主要被限制在肠道局部发挥作用，这有助于提高局部药物浓度并降低潜在的全身性副作用风险。

体内调控肠道微生物-TMA-TMAO轴

在高胆碱饮食诱导的C57BL/6J小鼠模型中，PDMF@LGG表现出卓越的降低血浆TMA和TMAO水平的能力。其作用机制是双重的：一方面，PMF纳米颗粒在肠道ROS环境下响应性释放FMC，有效抑制了微生物CutC/D酶的活性，从源头上减少了TMA的生成；另一方面，LGG益生菌协同PMF的抗氧化作用，修复并增强了肠道上皮细胞的紧密连接蛋白（如ZO-1、Occludin、Claudin-1）的表达，加固了肠道屏障，减少了TMA的吸收。有趣的是，研究还发现PDMF@LGG治疗能下调肝脏中FMO3酶的表达，这可能与TMAO水平降低后改善胰岛素抵抗等间接效应有关。

动脉粥样硬化治疗效-果

在ApoE^-/-动脉粥样硬化模型小鼠中，经过16周的干预，PDMF@LGG治疗取得了显著效果。主动脉整体油红O染色和主动脉根部病理切片分析均表明，PDMF@LGG能最有效地抑制动脉粥样硬化斑块的形成和发展。斑块成分分析进一步揭示，PDMF@LGG治疗组的斑块内脂质沉积、坏死核心、巨噬细胞浸润和基质金属蛋白酶9（MMP-9）表达均显著减少，而胶原含量增加，这表明斑块趋向更稳定状态，破裂风险降低。

对肠道微生物组和代谢组的调节

通过16S rRNA测序和血清非靶向代谢组学分析，研究人员深入探讨了PDMF@LGG带来的附加益处。研究发现，PDMF@LGG处理能显著增加肠道微生物群的多样性，并特异性富集了一些与心血管健康相关的有益菌群，例如毛螺菌科（Lachnospiraceae）、颤螺旋菌科（Oscillospiraceae）、罗斯氏菌属（Roseburia）和颤杆菌属（Oscillibacter）。代谢通路富集分析表明，PDMF@LGG影响了初级胆汁酸生物合成、胆固醇代谢等与动脉粥样硬化密切相关的通路。相关性分析进一步揭示了特定菌群（如Roseburia）与某些血清代谢物（如具有抗氧化作用的葫芦巴碱和四氢嘧啶）之间存在显著关联，提示PDMF@LGG可能通过重塑菌群-代谢物互作网络，间接发挥抗动脉粥样硬化作用。

综上所述，这项研究成功地构建了一种新型的口服纳米功能化益生菌PDMF@LGG。它巧妙地整合了纳米药物递送系统的可控释放优势和益生菌的肠道微环境调节功能，通过“一石多鸟”的策略：清除局部ROS、精准抑制TMA生成、增强肠道屏障功能，并可能通过调节肠道菌群组成和宿主代谢，高效地阻断了肠道微生物-TMA-TMAO轴，从而显著降低循环TMAO水平，最终在动物模型中有效延缓了动脉粥样硬化的进展并增强了斑块稳定性。该研究不仅为治疗由TMAO驱动的心血管疾病提供了一种极具潜力的新型治疗候选方案，拓宽了动脉粥样硬化的可治疗范围，更重要的是，它所展示的这种“纳米材料+益生菌”的协同治疗平台，也为利用口服微生物制剂治疗其他肠道相关乃至系统性疾病开辟了新的思路和技术路径。