受珊瑚启发的负载工程益生菌的微胶囊反应器用于炎症性肠病治疗

《Nature Communications》：Bioinspired microcapsule reactor with engineered probiotics for IBD therapy

　　

尽管基于益生菌的仿生策略在炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）治疗中显示出前景，但其临床转化受限于胃酸存活率低、肠道定植效率低及靶向性不足。受珊瑚群落防御保护–危险感知–组织修复的多级协同机制启发，研究人员开发了一种核壳仿生微胶囊反应器（MY-E@SS）。研究表明，多功能仿生壳可实现工程菌通过胃肠道的安全递送；到达炎症肠部位后，工程菌感知病理微环境并响应性释放抗炎肽。在雄性小鼠IBD模型中，该系统表现出优异的生物相容性与显著疗效：恢复肠道屏障完整性、减轻全身炎症与氧化应激、调节呼吸代谢并重建微生物稳态。机制上，治疗作用归因于抑制TNF-α/NF-κB信号通路。该研究提供了一个调控炎症微环境、推进复杂疾病治疗的智能平台。

研究背景方面，炎症性肠病（IBD）主要包括溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）和克罗恩病（Crohn’s Disease, CD），其核心病理涉及肠道屏障功能障碍、免疫失调、微生物群失调及氧化应激，且可引发肺等肠外病变。当前临床药物如5-氨基水杨酸（5-Aminosalicylic Acid, 5-ASA）、皮质类固醇等难以兼顾黏膜修复与微生物稳态重建，且长期使用存在毒副作用。基于益生菌的治疗虽具潜力，但工程菌口服递送面临胃肠液降解、定植效率低、活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）干扰及治疗药物释放时空控制不足等挑战。为此，研究人员借鉴珊瑚外骨骼–黏液–共生微生物的分级协同生存架构，构建仿生微胶囊反应器MY-E@SS，旨在模拟“防御保护–危险感知–组织修复”级联响应，以提升工程菌存活与定植并实现炎症部位智能释药，相关研究发表于《Nature Communications》。

主要关键技术方法包括：通过合成生物学模块化策略构建携带MY蛋白表达系统的重组大肠杆菌Nissle 1917（Escherichia coli Nissle 1917, EcN），MY蛋白含pelB信号肽、RGD（Arg-Gly-Asp）靶向序列、AAPV（Ala-Ala-Pro-Val）炎症敏感基序及KPV（Lys-Pro-Val）抗炎肽与His-tag；采用一锅化学法以丝素蛋白（Silk Fibroin, SF）、多巴胺和甘露糖合成仿生壳（SS），利用微流控技术制备核壳微胶囊MY-E@SS，并以熵权-TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution）法优化配方；使用葡聚糖硫酸钠（Dextran Sulfate Sodium, DSS）诱导雄性C57BL/6小鼠IBD模型及2,4,6-三硝基苯磺酸（2,4,6-Trinitrobenzenesulfonic Acid, TNBS）模型进行评估；结合体外模拟消化、活体成像、16S rRNA测序、转录组与非靶向代谢组学等多维度表征与机制解析。

研究结果部分，各小节结论如下：

设计构建工程菌株MY-EcN：研究人员将MY蛋白表达系统导入EcN得到MY-EcN，该系统由定位、靶向、刺激响应、功能及表位标签5个模块组成，含22个AAPV-KPV重复单元；经菌落PCR、Western blot及LC-MS/MS验证，MY蛋白可在炎症部位被中性粒细胞弹性蛋白酶（Neutrophil Elastase, NE）特异性切割释放KPV，且在体内结肠内容物中检测到KPV峰值积累与MY蛋白表达。

MY-E@SS的制备：以SF、多巴胺、甘露糖不同比例合成壳材料，通过微流控制备MY-E@S0、MY-E@S1、MY-E@S2、MY-E@S3微胶囊，综合活性氧与氮物种（Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS）清除等多指标，经熵权-TOPSIS法评估确定MY-E@S2（记为MY-E@SS）为最优配方，其具备优异的H₂O₂、·OH等清除能力及类过氧化物酶（Peroxidase, POD）、过氧化氢酶（Catalase, CAT）、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase, SOD）活性。

MY-E@SS的表征与评价：MY-E@SS呈均匀球形，水合粒径约98 μm，冻干后约4 μm；FTIR证实SF、多巴胺、甘露糖成功键合；维生素B₁₂释放实验显示3 h内完全释放；SS壳可提高局部细菌密度、保护工程菌抵御模拟胃液（Simulated Gastric Fluid, SGF）与模拟肠液（Simulated Intestinal Fluid, SIF）降解，且具备良好生物相容性，在LPS诱导的RAW264.7细胞模型中下调IL-6、TNF-α、IL-1β、iNOS，上调IL-10、IL-4。

MY-E@SS对IBD的治疗功效：在DSS诱导的雄性小鼠IBD模型中，MY-E@SS显著改善体重下降与疾病活动指数（Disease Activity Index, DAI），延长结肠长度，降低脾脏指数，恢复结肠组织形态与紧密连接蛋白（ZO-1、Occludin、Claudin-1）表达，促进巨噬细胞由CD86⁺向CD206⁺/Arg1⁺极化及Foxp3⁺CD4⁺调节性T细胞浸润；降低结肠IL-1β、TNF-α、IL-6水平并升高IL-10，降低髓过氧化物酶（Myeloperoxidase, MPO）活性，在TNBS模型中亦具一致疗效，且无明显全身毒性。

SS壳延长工程菌在炎症结肠的定植：活体成像与平板计数显示，SS壳显著提高IBD小鼠结肠内工程菌存活量与滞留时间至72 h，且在炎症部位特异性富集；双荧光示踪表明壳在8–12 h降解并释放细菌增殖；主要脏器无细菌易位信号，PCR证实SS涂层促进持续定植且限制系统扩散。

MY-E@SS的生物相容性评价：长期给药小鼠存活率100%，体重稳定，血液学参数正常，体外溶血率低；健康结肠TNF-α、IL-6、IL-1β与IL-10无显著差异，主要脏器H&E染色正常；29天评估未见IgE升高与过敏行为，无免疫毒性与全身不良反应，证实高生物相容性与安全性。

MY-E@SS改善IBD小鼠呼吸代谢：代谢笼监测显示DSS致IBD小鼠氧消耗（VO₂）、二氧化碳产生（VCO₂）、呼吸交换比（Respiratory Exchange Ratio, RER）与燃料氧化率下降；MY-E@SS干预后上述参数恢复并稳定昼夜节律，协同优于单一组分；健康小鼠长期给药不影响基础呼吸代谢与能量稳态。

MY-E@SS调节IBD小鼠结肠菌群：16S rRNA测序显示DSS致菌群失调（Firmicutes减少、Proteobacteria增加）；MY-E@SS提高α多样性Shannon与Simpson指数，PCoA显示菌群结构向正常偏移，富集毛螺菌科（Lachnospiraceae）、Muribaculaceae等益生菌，抑制有害菌，随时间推移菌群组成逐步恢复至对照水平。

MY-E@SS恢复基因表达从炎症至正常：转录组显示MY-E@SS下调84个、上调38个基因，抑制TNF、NF-κB、MAPK、IL-17、PI3K-Akt等通路；GSEA与PPI网络指向TNF、MMP9、NOS为关键靶标；qRT-PCR验证Mmp9、TNF-α、Nos2下调；体外实验中MY-E@SS抑制LPS诱导的p65核转位及IκBα磷酸化降解与p65磷酸化，降低TNF-α分泌，机制为抑制TNF-α/NF-κB信号通路。

MY-E@SS调节IBD小鼠肠道代谢谱：非靶向代谢组显示DSS扰乱胆汁酸、花生四烯酸代谢等；MY-E@SS逆转483种上调与524种下调代谢物中的部分变化，富集于花生四烯酸代谢、谷胱甘肽（Glutathione, GSH）代谢等通路；提升抗炎代谢物GSH、新黄质、视黄醇，降低缺氧标记物pimonidazole与蛋白合成抑制剂mocimycin等促炎代谢物，调节4,8,12,15-十八碳四烯酸、S-磺酰谷胱甘肽水平接近正常。

讨论部分总结：本研究引入仿生封装策略提升工程菌环境耐受性、多样性与安全性，利用诱导启动子系统增加治疗蛋白产量并实现炎症微环境精确控释，降低连续激活带来的安全风险，拓宽工程菌操作安全边界。然而工程菌脱靶效应与基因水平转移风险无法完全消除；未来可针对患者个体特征设计炎症响应启动子或自诱导启动子（如利用群体感应系统），实现靶微环境特异释放以避系统风险。综上，整合仿生与合成生物学策略构建的MY-E@SS成功实现对炎症微环境的智能感知与精确修复，为IBD及其他炎症性疾病协同管理提供可转化策略。

研究结论翻译：本工作介绍了一种仿生封装策略，以提升工程菌的环境耐受性并改善其多样性与安全性。采用诱导启动子系统以增加治疗蛋白产量并实现工程菌株的精确控释。同时，抗炎肽的释放由炎症反应机制调控，从而降低持续激活导致的安全风险。该仿生封装策略进一步强化了环境隔离并拓宽了工程菌的操作安全边界。尽管如此，工程菌的脱靶效应与基因水平转移风险无法完全消除。为解决这些挑战并推进个性化治疗，未来启动子设计可根据患者个体特征定制，例如利用可被局部微环境中过度表达的炎症因子（如TNF-α、IL-6、NO等）特异性激活的炎症响应启动子，或通过细菌群体感应系统实现基因表达时空调控的自诱导启动子，确保治疗蛋白仅在目标微环境中释放，从而避免持续激活引起的系统风险。总之，通过整合仿生与合成生物学策略，所构建的MY-E@SS成功实现了对炎症微环境的智能感知与精确修复，为IBD及其他炎症性疾病的协同管理提供了一种可转化的可行策略。