益生菌-药物级联系统通过色氨酸代谢和肠道微生物组重塑治疗炎症性肠病（IBD）

《Acta Pharmaceutica Sinica B》：A probiotic–drug cascade system for inflammatory bowel disease via tryptophan metabolism and gut microbiome remodeling

　　

开发能够改善色氨酸代谢和恢复肠道微生物组稳态的口服治疗药物对于有效管理炎症性肠病（IBD）至关重要。尽管细菌疗法在IBD治疗中取得了显著进展，但当前策略常因胃肠道生理和病理的多方面特性而面临功能有限和疗效受损的问题。在此，研究人员提出了一种基于金属-酚网络（MPN）的耐酸和微环境响应的益生菌-药物共递送系统（BS@MPN-BBR@S100）。口服给药后，双重MPN-S100涂层显著增强了益生菌在面对胃肠道挑战（包括胃酸和蛋白酶）时的存活率，并促进了对结肠病变的靶向黏附。令人印象深刻的是，装载的小檗碱（BBR）以钙卫蛋白（CP）响应方式在病灶部位靶向释放，从而通过重塑色氨酸代谢有效恢复肠道屏障功能。在结肠炎小鼠模型中，BS@MPN-BBR@S100通过调节色氨酸代谢、重塑微生物组稳态和缓解氧化应激，有效减轻了疾病症状。总体而言，本研究解决了口服益生菌和药物递送中的关键瓶颈，为开发针对IBD的有效治疗药物提供了一种有前景的策略。

**论文解读：益生菌-药物级联系统通过色氨酸代谢与肠道微生物组重塑治疗炎症性肠病**

**研究背景**
炎症性肠病（IBD）严重降低患者生活质量，使结直肠癌风险增加5–8倍，构成重大公共卫生挑战。现有证据表明，肠道屏障功能受损和肠道微生物紊乱是IBD的关键诱因。当前一线疗法（如5-氨基水杨酸、糖皮质激素、免疫抑制剂）主要通过减轻炎症或调节免疫活性改善症状，但难以充分靶向屏障损伤和菌群失调等核心病理机制，且缺乏靶向性导致全身毒性风险。因此，亟需开发同时针对IBD根本病因且脱靶效应最小化的新策略。细菌疗法尤其是益生菌通过恢复肠道微生物组稳态显示出治疗潜力，但胃肠道中的胃酸、蛋白酶和蠕动严重削弱其活性与定植。此外，结肠病变处过量活性氧（ROS）不仅损害益生菌活性，还加剧氧化应激和炎症。为此，研究人员构建了一种基于金属-酚网络（MPN）的酸耐受、微环境响应型益生菌-药物共递送系统（BS@MPN-BBR@S100），旨在协同重塑色氨酸代谢与恢复微生物组稳态，以治疗IBD。

**研究内容与结论**
研究人员设计并制备了以枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis, BS）为核心、装载小檗碱（BBR）的MPN涂层（由Mn²⁺和单宁酸组成），最外层包覆肠溶材料Eudragit S100的级联系统。口服后，S100保护益生菌抵御胃酸和蛋白酶；MPN赋予抗氧化与黏附特性；在结肠炎症病灶高表达的钙卫蛋白（CP）竞争结合Mn²⁺，触发涂层降解并精准释放BBR。BBR通过调节微生物色氨酸代谢，增加3-吲哚丙酸（IPA）和吲哚乙酸（IAA）等芳烃受体（AhR）激动剂，促进白细胞介素-22（IL-22）分泌，上调紧密连接蛋白和黏蛋白表达，修复肠道屏障。在右旋糖酐硫酸钠（DSS）和三硝基苯磺酸（TNBS）诱导的小鼠结肠炎模型中，该系统有效缓解体重下降、疾病活动指数升高、结肠缩短、脾肿大等症状，降低促炎细胞因子（IL-6、TNF-α）并升高抗炎细胞因子（IL-10），促进巨噬细胞从M1向M2极化，减少ROS和髓过氧化物酶（MPO）水平，抑制上皮细胞凋亡。研究结论：BS@MPN-BBR@S100通过调节色氨酸代谢、重塑微生物组稳态和清除ROS，在两种结肠炎模型中均表现出卓越治疗效果，且具有良好的生物安全性，为IBD口服治疗提供了有前景的转化策略。该论文发表于《Acta Pharmaceutica Sinica B》。

**关键技术方法**
研究采用以下主要技术方法：1）金属-酚网络（MPN）包被：利用Mn²⁺与单宁酸（TA）配位在枯草芽孢杆菌（BS）表面形成有序介孔涂层，并共装载小檗碱（BBR）；2）肠溶包衣：使用Eudragit S100作为外层，实现胃酸保护；3）钙卫蛋白（CP）响应性释放：利用CP与Mn²⁺的竞争结合触发BBR在病灶释放；4）体外模拟胃肠液与ROS抗性实验；5）体内活体成像（IVIS）评估黏附和滞留；6）DSS和TNBS诱导的结肠炎小鼠模型（C57BL/6小鼠，购自SPF环境）；7）16S rRNA扩增子测序分析肠道微生物组；8）靶向代谢组学检测色氨酸代谢产物；9）免疫荧光、Western blot、ELISA等评估屏障蛋白和细胞因子。

**研究结果**

**3.1 BS@MPN-BBR@S100的合成与表征**
透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）显示包被后BS表面出现粗糙颗粒层；动态光散射（DLS）表明粒径从~2209 nm增至~2716 nm，电位从–21.04 mV变为–29.8 mV；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）证实Mn²⁺含量显著升高；共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外可见光谱确认涂层、BBR和S100成功加载；CP处理后涂层剥落，且BBR在CP存在下累积释放达79.56%，无CP仅为57.52%，证实CP响应性。

**3.2 细菌涂层保护益生菌抵御模拟消化环境**
在含胃蛋白酶的模拟胃液（SGF）中，BS和BS@MPN几乎完全失活，而BS@MPN-BBR@S100保持10⁴ CFU/mL存活率；TEM和CLSM显示包膜完整；S100与MPN协同保护益生菌通过胃和小肠。

**3.3 涂层通过清除ROS保护细菌**
在H₂O₂氧化应激下，裸BS死亡，BS@MPN-BBR存活率高；电子自旋共振（ESR）及ABTS、DPPH、OH自由基清除实验表明BS@MPN-BBR具有剂量依赖性ROS清除能力（最大清除率>80%）；细胞实验显示其降低IEC-6细胞中ROS水平并恢复线粒体膜电位。

**3.4 增强的黏膜黏附和肠道滞留**
活体成像显示BS@MPN-BBR@S100在结肠中荧光信号持续至48 h，而裸BS在24 h内清除；离体实验证实MPN涂层增强与结肠组织的结合；三维CLSM显示BS@MPN在黏液中荧光更强；电荷介导黏附实验表明BS@MPN优先黏附于带正电的炎症区域。

**3.5 BS@MPN-BBR@S100在DSS诱导UC模型中的治疗效果**
治疗阻止体重下降，降低疾病活动指数（DAI），恢复结肠长度，减轻脾肿大；流式细胞术显示M2型巨噬细胞比例升高、M1型降低；血清促炎因子（IL-6、TNF-α）下降，抗炎因子（IL-10）上升；H&E染色显示结肠组织结构改善；ROS水平降低；髓过氧化物酶（MPO）染色减少；TUNEL染色显示凋亡细胞减少。

**3.6 BS@MPN-BBR@S100诱导色氨酸代谢并恢复肠道屏障功能**
靶向代谢组学显示DSS组吲哚代谢物（IPA、IAA、ILA、IDA）下调，BS@MPN-BBR@S100恢复其水平；ELISA证实粪便中IAA和IPA升高；Western blot显示结肠AhR和IL-22蛋白表达增强；AB/PAS染色和免疫荧光显示黏蛋白MUC2、紧密连接蛋白ZO-1、Occludin、Claudin表达正常化；FD4通透性实验证实肠道屏障完整性改善。

**3.7 体内肠道微生物组靶向治疗**
16S rRNA测序显示BS@MPN-BBR@S100提高α多样性（Ace、Chao、Shannon、Simpson指数），主坐标分析（PCoA）显示菌群结构接近健康组；门水平上降低Bacteroidota、增加Firmicutes丰度；属水平上降低有害菌Clostridia_UCG-014，增加益生菌Lactobacillus。

**3.8 BS@MPN-BBR@S100在TNBS诱导结肠炎中的治疗潜力**
TNBS模型中同样减轻体重下降和DAI评分，恢复结肠长度，降低脾脏重量；降低血清IL-6和TNF-α，升高IL-10；H&E和AB/PAS染色显示结肠损伤和黏蛋白恢复；ROS水平降低；ZO-1和Occludin免疫荧光正常化。

**3.9 生物相容性**
H&E染色显示主要器官（心、肝、脾、肺、肾）无病理损伤；肝功能和血常规参数正常；细胞活力实验显示无显著细胞毒性。

**总结与讨论**
本研究构建的多组分益生菌-药物系统BS@MPN-BBR@S100实现了IBD的有效靶向干预。该系统的优势包括：S100保护益生菌通过胃环境；MPN赋予强黏膜黏附能力和ROS清除活性；CP响应性涂层在病灶处解聚，实现BBR精准释放；通过重塑色氨酸代谢增强肠道屏障，并恢复微生物组稳态。在DSS和TNBS模型中均表现出优异疗效，且生物安全性良好。研究结论翻译如下：
综上所述，我们构建了一个多组分益生菌-药物系统（BS@MPN-BBR@S100），经证明能够对IBD进行有效和靶向的干预。在S100的保护下，该制剂可以穿过严苛的胃环境同时保持细菌存活。在IBD病灶部位，MPN赋予益生菌强的黏膜黏附能力，并通过高效清除高水平ROS来提高其存活率。此外，BS@MPN-BBR@S100表现出钙卫蛋白（CP）触发的涂层解聚，这不仅允许在病灶部位特异性靶向，还实现了BBR的精准释放。值得注意的是，BS@MPN-BBR@S100通过重塑色氨酸代谢增强肠道屏障功能，并恢复微生物组稳态以协同改善IBD。总体而言，BS@MPN-BBR@S100通过调节病理微环境（如增强肠道屏障、重塑肠道微生物组稳态、清除ROS）在DSS和TNBS诱导的结肠炎中表现出卓越的治疗效果。鉴于其适用于口服给药、高效和优越的生物相容性，BS@MPN-BBR@S100在IBD治疗的转化研究中具有巨大潜力。