Exp Mol Med︱崔明/樊赛军/万国运团队合作克服益生菌治疗定植难题

撰文︱王  滨，崔  明责编︱方以一，王思珍编辑︱杨彬薇

肠道微生态与宿主健康密切相关。临床和临床前数据表明通过调节肠道微生物可治疗常见肠道炎症性疾病如炎症性肠病（Inflammatory bowel diseases，IBDs）和放射性肠炎（Radiation enteritis）[1,2]。然而，由于宿主遗传和肠道微生态异质性，一些口服益生菌制剂，尤其是单菌制剂在临床治疗中常出现响应率低和治疗短效的问题，严重限制了口服益生菌制剂的应用[3,4]。因此，探明并克服益生菌治疗中低响应和短实效难题是推动益生菌临床应用的关键。

2023年1月4日，中国医学科学院/北京协和医学院放射医学研究所崔明副研究员、樊赛军研究员、新乡医学院万国运讲师课题组合作在Experimental & Molecular Medicine上发表了题为“Stable colonization of Akkermansia muciniphila educates host intestinal microecology and immunity to battle against inflammatory intestinal diseases”的研究。该研究揭示嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）在肠道中稳定定植对炎症性肠病治疗的重要性，并设计双靶向微生物递送系统以改善口服益生菌制剂低响应率和短时效问题。

研究者发现，使用阿克曼菌分别救治葡聚糖硫酸钠（Dextran sodium sulfate，DSS）诱导的结直肠炎和伽马射线诱导的小肠炎时，均有50%的实验小鼠治疗效果欠佳（图1A, B）。研究者通过疾病表型将实验小鼠分为响应小鼠（Responders，R）和未响应小鼠（Poor Responders，PR）（图1C-I）。荧光原位杂交和小动物活体成像等检测发现与PR组小鼠相比，R组小鼠肠道黏膜中存在有更多的阿克曼菌（图1J-L）。增加益生菌的浓度无法改善阿克曼菌对肠道炎症性疾病低响应的现象（图1M-P）。这些数据表明：阿克曼菌肠道定植与其对炎症性肠道疾病的治疗密切相关。

图1 Akkermansia muciniphila的肠道定植影响其对溃疡性结直肠炎的治疗效果

（图源：Bin W, et al., Exp Mol Med, 2023）

16S rRNA测序显示R组小鼠粪便微生物的Alpha和Beta多样性发生更显著的变化（图2A-J）。其中，益生菌鼠乳杆菌（Lactobacillus murinus）的丰度随着阿克曼菌定植增加而显著提高（图2K-M）。为了进一步探明阿克曼菌的肠道稳定定植对邻近鼠乳杆菌的潜在影响，研究者在体外对两种菌进行了共培养和互作实验。结果显示阿克曼菌的代谢产物可以提高鼠乳杆菌的生长速率（图3A-B）。单核转录组分析数据发现，随着共培养时间延长阿克曼菌对鼠乳杆菌基因表达谱影响愈加显著。鼠乳杆菌中一些抗炎通路如氨基酸的生物合成和短链脂肪酸的生成等都随着与阿克曼菌的共培养时间延长而增强（图3C-H）。这些数据表明：阿克曼菌的稳定定植是其调控肠道微生态的基础。

图2 Akkermansia muciniphila的肠道定植水平影响粪便微生物组

（图源：Bin W, et al., Exp Mol Med, 2023）

图3 Akkermansia muciniphila体外调控Lactobacillus murinus

（图源：Bin W, et al., Exp Mol Med, 2023）

磁性材料的可控性和安全性使其成为提高益生菌肠道定植的优良载体[5]。研究者设计合成同时具备外部磁场调控及炎症部位趋向的口服益生菌磁性递送系统-MFe₃O₄。体内体外实验表明该磁性递送系统在酸碱环境中保持稳定且对益生菌和宿主无毒，可大幅增强口服益生菌于肠道炎症部位的定植（图4A-G）。负载该系统的阿克曼菌显著提高了对小鼠结直肠炎和放射性小肠炎的治疗响应率和治疗效果（图4H-T）。研究者发现递送系统与阿克曼菌的混合液不能提高阿克曼菌的肠道定植及其对炎症性肠病的治疗，进一步证实阿克曼菌的肠道定植对其发挥功效的关键作用（图5A-F）。此外，负载该系统但经热灭活的阿克曼菌不能缓解炎症性肠病（图5G-J）。这个结果从侧面证实阿克曼菌产生的代谢产物在其调控肠道微生态于缓解炎症性肠病中发挥关键作用。这些数据表明：该双靶向递送系统可通过增强口服益生菌的肠道定植提高响应率和治疗效果。

图4 磁性递送系统提高Akkermansia muciniphila的定植与结直肠炎治疗效果

（图源：Bin W, et al., Exp Mol Med, 2023）

图5 Akkermansia muciniphila的定植在结直肠炎治疗中起重要作用

（图源：Bin W, et al., Exp Mol Med, 2023）

最后，通过对肠道炎症部位巨噬细胞分泌物以及标识基因的检测发现（图6），磁性递送系统和阿克曼菌均可通过IL-4诱导的途径促进炎症部位巨噬细胞由促炎M1型向抑炎M2型极化，从而缓解炎症水平。

图6 磁性递送系统促进炎性部位巨噬细胞极化

（图源：Bin W, et al., Exp Mol Med, 2023）

图7 机制图

（图源：Bin W, et al., Exp Mol Med, 2023）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究首次发现潜在益生菌-阿克曼菌在溃疡性结肠炎和放射性肠炎治疗中的治疗率不佳与其肠道定植失败相关，并从阿克曼菌对宿主肠道微生态和免疫稳态的调控揭示相关机制。阿克曼菌的稳定定植促进邻近益生菌的增殖，并以时间依赖性的方式上调其抗炎基因表达谱。为了克服阿克曼菌的肠道定植难题，研究者设计了一种磁性/炎性双靶向递送系统。该递送系统安全高效的增强了阿克曼菌在肠道中的滞留和定植，并通过促进炎性位点的M2巨噬细胞极化提高对肠炎的治疗效果。然而阿克曼菌在肠道中稳定定植对鼠乳杆菌及其他肠道微生物的调节作用任需进一步证明。此外，采用此系统治疗时铁负载所带来的安全隐患需进一步评价。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s12276-022-00911-z

通讯作者：崔明（左1），樊赛军（左2），万国运（右2）；第一作者：王滨（右1）

（照片提供自：崔明/樊赛军/万国运团队）

作者简介（上下滑动阅读）

通讯作者：

崔明，中国医学科学院放射医学研究所副研究员，博士生导师。从事共生微生态介导电离辐射损伤修复与放射治疗增敏的基础与应用研究。国家高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才、天津市杰出青年。以第一作者和通讯作者身份在Advanced Science、EMBO Molecular Medicine、Microbiome、Cell Reports、Cancer Research等杂志发表SCI论文30篇。

樊赛军，中国医学科学院放射医学研究所研究员，博士生导师。长期从事肿瘤放射治疗增敏与防护药物、核辐射损伤救治和康复等方面的研发工作。国家杰青、长江学者、天津市千人。2014-2021年连续八次入选爱思唯尔发布的中国高被引学者(Most Cited Chinese Researchers)榜单。

万国运，新乡医学院教师，硕士生导师，博士毕业于天津医科大学。长期从事功能性纳米材料的构建及其生物学效应评价，发展基于有机-无机纳米药物载体实现光学疗法、超声疗法及其他治疗手段（化疗、基因治疗、免疫治疗、抗血管生成治疗等）联合治疗肿瘤、肠炎、皮肤创面等疾病。迄今为止，主持国家自然青年基金项目和河南省科技攻关项目各一项，以第一/共一及通讯/共通讯作者在ACS Nano, Biomaterials, Nano Research，Chemical Engineering Journal, Journal of Nanobiotechnology，ACS Applied Materials & Interfaces， Experimental & Molecular Medicine和Dalton Transactions等期刊上发表SCI论文10余篇，担任Theranostics，Acta Biomaterialia，Biomaterials Science和Scientific Reports等期刊审稿人。

第一作者：

王滨，中国医学科学院放射医学研究所直博生。多次获协和医学院年度奖学金和优秀研究生称号及2022年第三届全国放射医学博士生创新论坛创新奖等。以第一作者或共同一作在Experimental and Molecular Medicine、Science of the Total Environment、Environmental Pollution等杂志发表SCI论文4篇。

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参考文献（上下滑动阅读）

[1] Schirmer, M., Garner, A., Vlamakis, H. & Xavier, R. J. Microbial genes and pathways in inflammatory bowel disease. Nat. Rev. Microbiol. 8, 497–511 (2019)

[2] Li, Y. et al. Gut commensal derived-valeric acid protects against radiation injuries. Gut Microbes 4, 789–806 (2020).

[3] Suez, J. et al. Post-Antibiotic Gut Mucosal Microbiome Reconstitution Is Impaired by Probiotics and Improved by Autologous FMT. Cell 6, 1406–1423.e1416 (2018).

[4] Zmora, N. et al. Personalized Gut Mucosal Colonization Resistance to Empiric Probiotics Is Associated with Unique Host and Microbiome Features. Cell 6,1388–1405.e1321 (2018).

[5] Buss, M. T., Ramesh, P., English, M. A., Lee-Gosselin, A. & Shapiro, M. G. Spatial Control of Probiotic Bacteria in the Gastrointestinal Tract Assisted by Magnetic Particles. Adv. Mater. 17, e2007473 (2021).

本文完