武汉大学张先正Nature Biomed. Eng.：口服微生物鸡尾酒，级联系统除废物，未来还需要透析机吗？
作为影响全球5亿患者的致命疾病，肾脏衰竭伴随着有毒废物的积累，包括尿素、肌酸酐、对甲酚硫酸盐、吲哚硫酸盐、吲哚衍生物和三甲胺氧化物。这种积累也是使肾脏损害发展的原因。尽管侵入性透析清除非蛋白结合的尿毒症溶质的效率很高，但频繁的透析治疗仍严重影响患者的生活质量，并伴有致命的不良反应。以前，可注射材料（例如DNA折纸和纳米脂质体）已被设计为减少肾衰竭患者的透析频率。但是，这些方法仍然需要侵入性手术。开发无创治疗可以减轻患者的负担。
肠粘膜是人体内最大的半透性结构，可以在血液和肠道之间进行代谢物交换。另外，肠道直接与外部环境相连。可以通过口服方式无创地调节肠道内部环境。超过1000亿种细菌定居于人类肠道，它们参与宿主的多种生理功能。最近，肠道菌群与代谢相关疾病的发展之间的联系变得更加清晰。微生物群的调节为疾病的非侵入性治疗提供了希望。迄今为止，治疗性细菌的调控主要依靠合成生物学策略。群体感应工程菌在荷瘤小鼠中的治疗潜力已经得到了很好的研究。通过基因工程控制大肠杆菌的表达降解酶，成功地降解了消化道有氧和缺氧区域的苯丙氨酸。尽管如此，但可进行基因改造的菌株种类有限，加上转基因细菌用于人类治疗的安全性，极大地限制了微生物疗法的发展。
之前，武汉大学张先正教授课题组制备了磁性巨噬细胞（Adv. Mater. 31, 1807211 (2019).）、光控细菌（Nat. Commun. 9, 1680 (2018).）和纳米颗粒负载的病毒（Nat. Biomed. Eng. 3, 717–728 (2019)）。那么，假设能否基于材料科学的非基因修饰来调节微生物群和减轻肾衰竭呢？
成果简介：
鉴于此，张先正教授研究团队报告了一种降解肠道含氮废物的口腔微生物组微生态系统的设计，展示了在肾损伤动物体内口服的一种细菌鸡尾酒可以在血氮废物通过肠黏膜屏障扩散之前代谢掉。相关成果于7月6日发表于Nature Biomedical Engineering上。
研究思路（划重点）
1）首先，建立了一个将代谢废物转化为营养的合成微生物群落。微生物完全有潜力代谢各种含氮废物。研究人员选择了可以代谢尿素（埃希氏菌属的菌株1）或肌酐（芽孢杆菌属的菌株2）转化为氨，考虑到氨的高毒性，再加上可将氨转化为氨基酸的肠杆菌菌株（菌株3）。
2)然后，通过微流控技术，将三种细菌包裹在藻酸钙微球中以实现空间共定位。该人工生态系统可促进不同菌株之间的代谢级联。
3)还在微球表面原位聚合了一层聚多巴胺（PDA）纳米膜，选择性地使小分子氮源进入细菌微生态系统（bacterial micro-ecosystem，BME），以防止含氮大分子的过量消耗。该涂层还提高了含氮废物在复杂环境中的降解率。且假设口服BME可以有效清除代谢废物而不会引起明显的不良反应。
示意图
选择性扩散进入微球
由于各种细菌在肠道位置的倾向不一样，而该研究又需三者在一个系统内，故研究人员使用T型微流液滴发生器将藻酸钠、氯化钙和细菌混合，合成了直径约90μm的包裹细菌的藻酸钙微球（Bacteria@MSs）。防止蛋白质等其他物质的干扰，研究人员筛选了FDA认证批准的产品或“公认安全”列表中的候选材料。与其他候选材料相比，PDA膜对小分子氮源的渗透性最高，对大分子蛋白质的扩散的阻挡作用最强。而诸如肌酐和尿嘧啶等含氮化合物更可能进入BME。经分析，具有更高pKa和更多氢键受体的分子很可能扩散到BME中。巧合的是，大量的含氮废物就分子结构而言可以满足这两个条件。
图|构造BME
在多种肾损伤模型中表现突出
在安全性研究中，血液指标无明显变化，且与直接接种细菌相比，BME处理对小鼠的微生物群组成影响很小，表明该处理策略具有更高的安全性。此外，在一系列鼠急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）模型中研究了BME的体内作用，包括顺铂诱导的AKI，庆大霉素诱导的AKI，甘油诱导的AKI和腺嘌呤代谢紊乱触发的慢性肾衰竭（CKF），BME处理的小鼠生存率均高于其它组别（无死亡或零星死亡），且尿素和肌酐均得以降低，对于鼠CKF模型，发现BME和腹膜透析的功效非常相似，与腹膜透析相比，BME治疗的非侵入性特征使其不太可能引起全身感染或腹膜炎。这很好地证明了BME清除含氮废物的能力及其体内应用的安全性。在大型动物的猪模型中，同样证明了这一点。
图|BME在鼠和猪AKi模型中的体内治疗作用
图|BME在小鼠CKF模型中的体内治疗作用
小结：
综上所述，研究人员全面研究了BME在清除代谢废物方面的功效。包裹微生物混合物显着降低了血液中尿素和肌酐的浓度，并且没有导致任何不良影响。
细菌具有多种代谢途径，经过进一步的菌种筛选，人工菌群可降解的废物种类可进一步扩大。同时，保护性益生菌也可以加入到BME中，在减轻肾脏损伤的同时清除代谢废物。根据不同类型肾功能衰竭的特点，可以将具有不同代谢特性和功能的细菌组合起来，实现个性化治疗。可以将这种策略发展为一种与透析协同作用并减少透析频率和时间的技术。
然而，具体的治疗机制和安全性仍有一些问题需要进一步研究解决。最重要的是，利用合成材料的高度可控性和智能响应，仍然有很大的空间来更新当前基于微生物组的疗法，以治疗除肾功能衰竭以外的代谢性疾病。
参考文献：
Zheng,D., et al. An orally delivered microbial cocktail for the removal ofnitrogenous metabolic waste in animal models of kidney failure. Nat Biomed Eng(2020).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-0582-1