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为解决口服益生菌在肠道面临的营养竞争及增殖定植难题，上海药物研究所的研究人员开展 AIFS 策略研究。结果显示该策略可提升益生菌功效，有效防治结肠炎。推荐科研读者阅读，助您了解微生物疗法新进展。
在我们的身体里，胃肠道就像一个热闹非凡的 “微生物王国”，里面居住着数不清的微生物。这些小家伙们可不是吃素的，它们构建出的复杂生态系统，对我们身体的生理平衡和各种功能都有着深远影响。你可别小瞧了它们，越来越多的证据表明，微生物的组成和许多难治性疾病的发生、发展以及治疗都有着千丝万缕的联系，像炎症性肠病（IBD）、糖尿病、高血脂，甚至某些癌症都和它们脱不了干系。
这时候，益生菌就闪亮登场啦！它通过口服进入我们的胃肠道，在维持肠道菌群平衡、调节肠道免疫以及保持肠道屏障完整性方面发挥着重要作用，在治疗多种胃肠道疾病上潜力巨大。不过，益生菌想要在胃肠道里 “大展拳脚” 可不容易。胃肠道里到处都是 “危险”，胃酸、胆汁酸、溶菌酶这些物质，还有快速的肠道蠕动，都像一道道关卡，严重阻碍着口服益生菌在肠道里存活和繁殖，导致它们的定植效果很差。你想啊，益生菌还没来得及发挥作用，就被这些 “敌人” 给打败了，这可怎么行呢？
更糟糕的是，益生菌还面临着营养竞争的难题。和肠道里原本就存在的微生物或者病原体抢夺营养，这对益生菌来说太难了。尤其是在像 IBD 这样的病理环境下，患者食物摄取减少，肠道黏膜受损，致病微生物还疯狂生长，这使得营养竞争更加激烈，益生菌的增殖和定植受到了极大的抑制。以前的一些方法，比如给益生菌穿上各种 “防护衣”（用多糖、脂质体等材料修饰），虽然能帮助它们抵抗一些常见的胃肠道压力，但却忽略了营养竞争这个大问题。还有直接把益生菌和营养物质混合的方法，效果也不理想，因为营养物质在肠道里随机分布，各种微生物都能吃，益生菌能获取的营养少得可怜，功效自然就大打折扣了。
为了解决这些棘手的问题，来自上海药物研究所的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了一篇名为 “Ameba-inspired food-carrying strategy for enhanced oral probiotic efficacy in inflammatory bowel disease” 的论文。他们从变形虫身上获得灵感，找到了一种巧妙的办法，就像给益生菌配备了专属的 “食物背包”，让益生菌在肠道里能够更好地存活、繁殖和定植，从而为治疗 IBD 带来了新的希望。
研究人员在开展这项研究时，用到了几个关键的技术方法。首先是通过蔗糖梯度超速离心法从姜汁中分离纯化出姜来源的外泌体样纳米颗粒（GELNs）。接着，利用静电相互作用和酰胺化反应，对 GELNs 和益生菌进行表面工程改造，把 GELNs 成功地预绑定到益生菌表面，制备出了模仿变形虫携带食物策略的微生态制剂（AIFM）。此外，运用多种表征技术，如透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和流式细胞术等，对制备的材料和微生物进行全面的表征和分析。最后，通过体内外实验，评估 AIFS 在抵抗胃肠道压力、促进益生菌增殖、改善肠道菌群平衡以及治疗 IBD 等方面的效果。
下面，我们来看看研究人员都发现了什么。
制备与表征
研究人员挑选了鼠李糖乳杆菌 GG（LGG）和大肠杆菌 Nissle 1917（EcN）作为革兰氏阳性和阴性益生菌的代表，它们在治疗胃肠道疾病和代谢疾病方面可是 “明星选手”。为了实现给益生菌背 “食物背包” 的想法，研究人员把 GELNs 当作食物储备预绑定到益生菌上。GELNs 是从姜汁里分离出来的，大小约 135±12nm，表面带着负电荷。由于益生菌和 GELNs 都带负电，为了让它们能 “粘” 在一起，研究人员给 GELNs 分别穿上了带负电的透明质酸（HA）和带正电的壳聚糖（CS）“外套”，同时也用 HA 给益生菌 “打扮” 了一下。经过这一系列操作，研究人员成功地调整了它们的表面电位，让 GELNs 能顺利地绑定到益生菌表面。从各种表征结果，像 TEM、AFM、CLSM 和流式细胞术的分析来看，都能明显看出 GELNs 和益生菌成功结合，而且这种结合对益生菌的活力影响很小，这就为后续的研究打下了坚实的基础。
AIFS 增强对胃肠道攻击的抵抗力
口服益生菌在胃肠道里的生存环境就像一个 “战场”，充满了各种致命的因素。研究人员通过体外实验，用模拟胃液（SGF）、胆汁盐、溶菌酶和右旋糖酐硫酸钠（DSS）这些 “敌人” 来挑战益生菌。结果发现，普通的益生菌在 SGF 里待上两小时，大部分都 “牺牲” 了，而经过 AIFS 改造的 LGGHA/GELN 和 LGG@GELN 的存活率比普通的 LGG/GELN 分别高出 238 倍和 247 倍，这说明 AIFS 里的 HA 修饰能大大增强益生菌对 SGF 的抵抗力。在胆汁盐、溶菌酶和 DSS 的 “攻击” 下，LGG@GELN 的存活率也明显高于其他组。这是因为 HA 和 GELNs 给益生菌构建了一道物理屏障，减少了它们和有害物质的接触面积，而且 GELNs 还能给益生菌提供营养，促进它们增殖，就像给士兵提供了充足的弹药和补给，让益生菌在恶劣的环境里也能顽强地生存下来。
AIFS 通过特定食物供应抵抗营养竞争
变形虫会携带食物来保证自己在食物稀缺的环境里生存和繁殖，那 AIFS 能不能也做到这一点呢？研究人员对此进行了探究。他们发现，AIFS 能显著提高益生菌对 GELNs 的摄取效率。通过 CLSM 和流式细胞术分析可以看到，LGG@GELN 组摄取 GELNs 的益生菌数量比 LGG/GELN 和 LGGHA/GELN 组多得多，而且 GELNs 确实进入了益生菌内部。在有其他肠道微生物竞争的情况下，AIFS 的优势就更明显了。不管是和非致病性的肠道细菌还是病原体一起培养，LGG@GELN 都能特异性地摄取 GELNs，摄取比例远远高于 LGG/GELN。对于革兰氏阴性益生菌 EcN，AIFS 也能让它在竞争环境里高效摄取 GELNs。这是因为 AIFS 把 GELNs 预绑定在益生菌表面，就像给益生菌戴上了一个专属的 “食物项链”，让它们能和 GELNs 保持紧密接触，减少了和其他竞争细菌接触的机会，从而有效地克服了胃肠道里的营养竞争问题。
AIFS 促进益生菌增殖
在胃肠道里，营养竞争严重限制了益生菌的增殖。研究人员用营养耗尽的模拟肠液（SIF）来模拟肠道里营养匮乏的环境，结果发现普通的 LGG 在这种环境里生长缓慢。而 AIFM 就不一样了，在营养耗尽的 SIF 里，LGG@GELN 从第 4 小时开始就快速增殖，生长速度远远超过其他组。研究人员还发现，GELNs 里的 RNA 对促进 LGG 增殖起着关键作用。在模拟 IBD 的肠道环境里，LGG@GELN 不仅能抵抗病原体的竞争，促进自身生长，还能抑制病原体的生长，就像一个英勇的战士，不仅能保护自己，还能消灭敌人。
AIFS 提高体内 GELNs 的保留和摄取
AIFS 在体外表现这么出色，那在体内又会怎么样呢？研究人员通过体内成像发现，口服 LGG@GELN 后，小鼠胃肠道里 GELNs 的荧光信号明显增强，是 LGGHA/GELN 和 GELN 组的大约 3 倍，这说明 AIFS 能大大提高 GELNs 在胃肠道里的保留率。进一步研究发现，AIFS 通过增强 GELNs 对肠道黏液的粘附力，减少了 GELNs 穿过肠道屏障的数量，从而让更多的 GELNs 留在肠道里。而且，CLSM 结果显示，LGG@GELN 能让益生菌在肠道里高效摄取 GELNs，即使肠道里有很多其他微生物也不受影响。这就好像 AIFS 给益生菌和 GELNs 之间建立了一条专属通道，让益生菌能顺利获取营养。
AIFS 重塑有益的肠道微生物群稳态
肠道微生物群的平衡对预防和治疗各种疾病都非常重要，对于 IBD 患者来说，恢复肠道微生物群的平衡更是关键。研究人员用 16S rRNA 基因测序技术分析了结肠炎小鼠肠道微生物群的变化，发现 LGG@GELN 能显著改变微生物群落结构。在门水平上，它能恢复结肠炎小鼠中减少的拟杆菌门（Bacteroidota）的丰度，增加放线菌门（Actinobacteriota）里有益益生菌的比例，同时降低变形菌门（Proteobacteria）和弯曲菌门（Campylobacterota）里致病微生物的丰度。在属水平上，LGG@GELN 能有效减少大肠杆菌 - 志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）和幽门螺杆菌属（Helicobacter）等有害菌的数量，增加乳酸杆菌属（Lactobacillus）和双歧杆菌属（Bifidobacterium）等有益菌的丰度。这表明 AIFS 就像一个 “优秀的园艺师”，能精心修剪肠道微生物的 “花园”，让有益的微生物茁壮成长，有害的微生物无处遁形，从而建立起有益的肠道微生物群稳态。
AIFS 对 DSS 诱导的结肠炎具有强大的治疗效果
既然 AIFS 能重塑肠道微生物群稳态，那它能不能治疗结肠炎呢？研究人员用 DSS 诱导小鼠患上结肠炎，然后分别用 PBS、LGG、LGGHA/GELN 和 LGG@GELN 进行治疗。结果发现，LGG@GELN 治疗组的小鼠体重下降得到有效缓解，肠道长度也恢复到接近健康小鼠的水平。通过 ELISA 和组织病理学分析发现，LGG@GELN 能降低结肠组织中促炎细胞因子 IL - 1β 的水平，增加抗炎细胞因子 IL - 10 和促进黏膜修复的 IL - 22 的水平。H&E 染色显示，LGG@GELN 治疗组小鼠的结肠组织炎症细胞浸润最少，黏膜修复效果最好。这说明 LGG@GELN 就像一位医术高超的 “医生”，能有效地治疗结肠炎小鼠，让它们逐渐恢复健康。
AIFS 对 DSS 诱导的结肠炎具有有效的预防作用
除了治疗，AIFS 能不能预防结肠炎呢？研究人员让小鼠提前口服 PBS、LGG、LGGHA/GELN 和 LGG@GELN，然后用 DSS 诱导结肠炎。结果显示，LGG@GELN 治疗组的小鼠体重下降幅度最小，肠道长度最长，结肠组织中 IL - 1β 水平最低，IL - 10 和 IL - 22 水平最高。H&E 染色和髓过氧化物酶染色结果表明，LGG@GELN 能有效阻止结肠炎的发生和发展，就像给小鼠穿上了一件坚固的 “防护服”，让它们免受结肠炎的侵害，这充分体现了 AIFS 在预防结肠炎方面的强大功效。
生物安全性评估
在使用任何治疗方法之前，都要考虑它的安全性。研究人员通过检测血清中的生化指标和对关键器官进行病理检查来评估 AIFM 的生物安全性。结果发现，用 LGG@GELN 治疗小鼠 4 周后，小鼠的肝功能指标（丙氨酸转氨酶 ALT、天冬氨酸转氨酶 AST 和碱性磷酸酶 ALP）、心脏功能指标（乳酸脱氢酶 LDH）和肾功能指标（尿素氮 BUN）与对照组相比都没有明显变化，而且主要器官的 H&E 染色结果也显示没有明显的病理改变。这说明 AIFM 就像一个可靠的 “伙伴”，在发挥治疗作用的同时，不会对身体造成额外的伤害，具有良好的生物安全性。
总的来说，这项研究从变形虫获取食物的方式中获得灵感，开发了一种创新的仿生食物携带策略（AIFS）。通过这种策略，研究人员成功地将 GELNs 预绑定到益生菌表面，制备出了 AIFM。AIFS 具有很多独特的功能，它能提高 GELNs 在肠道里的保留率，让益生菌在复杂的肠道环境里特异性、高效地摄取 GELNs，避免和其他微生物竞争营养，还能增强益生菌对各种胃肠道压力的耐受性，促进益生菌在肠道里的增殖和定植。在结肠炎小鼠模型中，AIFS 能显著改善肠道微生物群的平衡，有效治疗和预防结肠炎，而且生物安全性良好。
不过，研究人员也很清楚，这项研究还有一些需要改进的地方。比如，AIFM 的制备过程比较复杂，这对大规模生产来说是个挑战；益生菌的储存条件要求严格，需要提高制剂的温度和氧气耐受性，增强稳定性；而且还需要在更多的动物模型上进行验证，开展精心设计的人体临床试验，来全面确认 AIFS 的功效和安全性；另外，评估 AIFS 和现有益生菌疗法相比的成本效益，找到降低生产成本的方法也很重要。
尽管如此，这项研究仍然意义重大。它为微生物工程提供了一种全新的方法，为微生物疗法和肠道健康领域开辟了新的道路。AIFS 不仅仅可以应用在治疗 IBD 上，它还有望在调节口腔、表皮、子宫等组织器官的微生态系统方面发挥作用，为微生物疗法在生物医学领域的广泛应用奠定了坚实的基础，就像为未来的医学发展点亮了一盏明灯，指引着研究人员不断探索前行。
