基于多细胞自组织微菌落的口服递送系统显著增强肠道定植效果

本研究针对传统口服益生菌难以在肠道稳定定植的问题，创新性地开发了"特快微菌落服务"(Express Microcolony Service, EMS)系统。研究人员通过共价-离子交联藻酸盐水凝胶微球封装多细胞自组织益生菌微菌落，利用应力松弛和耐酸特性，实现了对胃酸、胆盐和抗生素的显著抵抗。实验表明，EMS系统在小鼠盲肠和结肠的定植率分别比传统口服益生菌提高89倍和52倍，为益生菌治疗提供了创新、高效且具临床转化潜力的新策略。

　　

在人类健康与疾病的研究中，肠道微生物组的重要性日益凸显。益生菌干预已成为治疗癌症、自身免疫和代谢性疾病等疾病的潜在治疗方式。然而，传统口服益生菌补充剂往往难以适应肠道环境，导致治疗效果受限。究其原因，细菌定植是一个动态过程，包括附着、不可逆粘附、微菌落形成等阶段，在持续的环境压力下极难形成稳定的生物膜。最新研究发现，生物膜的形成在所有方面都受到不同个体发育阶段的调控，类似于多细胞真核生物胚胎的系统发育模式。此外，生物膜中细菌的特定多细胞行为，如细胞间信号传导、细胞分化和分工等也早已被发现。这些证据表明多细胞性在生物膜形成中起着关键作用，但这一先进视角的实际应用尚未被探索。

上海交通大学医学院的研究人员开展了一项创新性研究，设计了一种封装多细胞自组织益生菌微菌落的EMS系统，用于益生菌的高效口服递送和肠道定植增强。该研究发表在《Nature Communications》上，为解决益生菌定植难题提供了新思路。研究人员采用共价-离子交联藻酸盐水凝胶微球作为载体，通过调节基质刚度和粘弹性来支持微菌落的形成。这种微载体提供可调节的营养供应和细胞外基质支持，促进微菌落自组织。值得注意的是，研究发现应力松弛水凝胶的可变空间约束可以调节微菌落的活力和定植潜力。

研究采用了多项关键技术方法：通过原核转录组测序分析单细菌与多细胞菌落间的基因表达差异；设计具有不同藻酸盐与甲基丙烯酸化藻酸盐(AlgMA)比例的双网络水凝胶，通过流变学测试评估其力学性能；采用气体剪切微流控策略制备水凝胶微载体；建立DSS诱导的小鼠结肠炎模型评估治疗效果；使用16S rRNA测序分析粪便微生物群变化。

研究结果部分主要包括以下几个重要发现：

"多细胞微菌落的基因表达模式"部分显示，与单细菌相比，多细胞菌落中与生物膜形成和群体感应(quorum sensing, QS)相关的基因表达上调。特别是与粘附、应激抵抗和酸抵抗相关的基因表达显著增强，这解释了为何多细胞菌落表现出更优的定植潜力。

"优化应力松弛水凝胶和制备EMS微载体系统"部分表明，50%AlgMA水凝胶在人工结肠液(ACF)中降解最快，同时保持培养-口服递送系统的稳定性。这种水凝胶的应力松弛特性允许其逐渐变形，为微菌落生长提供空间。

"微菌落自组织和释放"部分发现，初始细菌浓度越高，微菌落自组织动力学越慢，达到平台期时的微菌落尺寸越小。活/死染色显示培养12小时后细菌死亡率增加至27.3%，而6小时培养的微菌落显示出最佳活力。

"环境抵抗和定植潜力"部分证明，EMS微菌落对胃酸、胆盐和抗生素表现出显著抵抗能力。在小鼠模型中，EMS组的定植率在盲肠和结肠分别比传统口服益生菌高89倍和52倍。

"口服EMS的治疗效果"部分显示，在DSS诱导的结肠炎模型中，单次剂量EMS治疗能有效维持体重和结肠长度，降低疾病活动评分。16S rRNA测序分析表明EMS处理增加了Akkermansia muciniphila和Blautia等有益菌的丰度。

研究结论部分强调，这项研究创新性地提出了基于多细胞自组织策略的口服EMS系统，通过模拟细菌菌落发育与真核生物胚胎发生间的相似性，解决了益生菌定植的根本问题。EMS系统具有经济可行性、生物安全性、递送效率高和治疗可靠等优势。特别是，该系统增强了EcN的定植能力，调节了整个肠道微环境的稳态，促进了更健康的肠道菌群组成形成，对缓解结肠炎具有显著益处。这项研究为益生菌治疗领域提供了一种创新、高效且具有临床转化潜力的新方法，突破了传统益生菌递送策略的局限性。