靶向Mn@CeO?納米酶修飾的益生菌水凝膠微球重塑炎癥性腸病中的腸道穩(wěn)態(tài)

更新時(shí)間：2025-09-23

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尿路感染是一種常見的細(xì)菌感染，由于細(xì)菌的粘附和侵襲，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和組織損傷，因此需要開發(fā)具有抗炎和抗粘附能力的治療方法。傳統(tǒng)的抗粘附療法無法解決尿路感染中的過多活性氧和炎癥反應(yīng)問題。

南京大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院魏輝團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種生物啟發(fā)的DEX修飾的二氧化鈰(DEC)作為UTI治療的納米誘餌。具體來說，超小葡聚糖包覆的氧化鈰(DEC)被設(shè)計(jì)用于解決UTI，葡聚糖阻斷FimH粘附，氧化鈰具有抗炎特性。DEC可由腎臟代謝，減少尿路細(xì)菌含量，減輕炎癥和組織損傷。在小鼠模型中，DEC成功治療急性尿路感染、反復(fù)感染和導(dǎo)管相關(guān)尿路感染。

靶向Mn@CeO?納米酶修飾的益生菌水凝膠微球重塑炎癥性腸病中的腸道穩(wěn)態(tài)

本研究針對(duì)口服益生菌制劑在治療炎癥性腸病過程中所面臨的胃酸破壞、抗氧化不穩(wěn)定以及靶向性差等難題，成功開發(fā)出一種新型的Mn@CeO?納米酶修飾的羅伊氏乳桿菌海藻酸鹽微球（MnCe@LR/AMs）。該系統(tǒng)利用納米酶涂層與海藻酸鹽微球的協(xié)同效應(yīng)，有效保護(hù)益生菌免受胃酸的破壞，并通過納米酶的抗氧化活性增強(qiáng)，以及海藻酸鈉的靶向性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)炎癥部位的精準(zhǔn)遞送。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，該制劑通過多種機(jī)制發(fā)揮治療作用，包括協(xié)同抗氧化抗炎、增強(qiáng)腸道屏障功能、改善微生物多樣性、促進(jìn)氨基酸吸收以及調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化以調(diào)控免疫反應(yīng)等，最終有效緩解結(jié)腸炎癥狀并恢復(fù)腸道穩(wěn)態(tài)。研究結(jié)果揭示，該遞送系統(tǒng)為炎癥性腸病的治療提供了高效且精準(zhǔn)的新策略，展現(xiàn)出顯著的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

MnCe@LR/AMs的構(gòu)建與表征

為治療炎癥性腸病（IBD），依托羅伊氏乳桿菌增強(qiáng)腸道屏障、調(diào)節(jié)腸道菌群及免疫調(diào)節(jié)的作用，將其作為模式菌株；在其表面構(gòu)建錳摻雜二氧化鈰（Mn@CeO?）納米酶涂層（以增強(qiáng)益生菌酶催化活性與活性氧清除能力），并通過靜電噴霧法封裝于海藻酸鹽微球中。

表征顯示，X射線衍射證實(shí)CeO?特征峰，驗(yàn)證 Mn@CeO?合成成功；X射線光電子能譜揭示 Ce、Mn、O元素氧化態(tài)及比例，且Mn摻雜顯著提升CeO?中Ce??比例。生物相容性方面，20μg/mL的Mn@CeO?對(duì) RAW264.7、MC-38細(xì)胞毒性可忽略，且與羅伊氏乳桿菌相容性良好。

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Mn@CeO?與MnCe@LR/AMs的體外抗氧化活性

本研究通過系統(tǒng)性表征與功能驗(yàn)證，證實(shí)了Mn@CeO?納米酶及其復(fù)合制劑（MnCe@LR/AMs）在清除活性氧（ROS）方面具有顯著的效能。其作用機(jī)制涉及多維度的抗氧化協(xié)同效應(yīng)：具體而言，Mn元素?fù)诫s通過形成Mn3+/Mn??氧化還原對(duì)及誘導(dǎo)晶格氧空位缺陷，顯著提升了CeO?的類*酶（CAT，kcat=3.2×10? M-1s-1）和類超氧化物歧化酶（SOD，IC₅₀=0.8 μg/mL）活性，催化效率較純CeO?分別提升2.8倍和1.7倍；Mn@CeO?通過Ce??/Ce??價(jià)態(tài)循環(huán)機(jī)制，在100 μg/mL濃度下實(shí)現(xiàn)對(duì)超氧陰離子（O^2-·）的超高效清除，同時(shí)高效分解H?O?（產(chǎn)率12.3 μmol/mg·min），顯著提升H

?O?（200μM）脅迫下的細(xì)胞存活率至85.6%（vs. 42.3%空白對(duì)照）；細(xì)胞水平研究表明，其通過DCFH-DA熒光探針檢測(cè)顯示，50 μg/mL Mn@CeO?可使H?O?誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)ROS水平降低67.2%（ΔF=158.3→51.6），并顯著上調(diào)Nrf2/HO-1抗氧化通路蛋白表達(dá)（p<0.01），有效調(diào)控細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激；值得注意的是，復(fù)合制劑mnce@lr ph="">80%保留率），雖未直接增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)酶活性，但其通過局部ROS清除（ABTS·+清除率>75%）及類谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px，1.2 U/mg）活性模擬，有效抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞脂質(zhì)過氧化（MDA含量降低54.3%），實(shí)現(xiàn)結(jié)腸微環(huán)境的靶向干預(yù)。綜上所述，Mn@CeO?納米酶系統(tǒng)通過類酶活性的協(xié)同增強(qiáng)與微環(huán)境響應(yīng)性，構(gòu)建了ROS級(jí)聯(lián)清除與氧化損傷的時(shí)空可控干預(yù)體系，為炎癥性腸病及結(jié)腸癌等氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的創(chuàng)新治療提供了重要策略。

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改性羅伊氏乳桿菌的體外胃腸道環(huán)境抗性研究

通過體外模擬胃腸道環(huán)境的實(shí)驗(yàn)，本研究驗(yàn)證了納米酶-微球系統(tǒng)顯著提高了羅伊氏乳桿菌在胃腸道環(huán)境中的耐受性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在模擬胃液（SGF）處理1小時(shí)后，MnCe@LR/AMs的存活率相較于未處理的菌株提高了9.43倍，掃描電子顯微鏡觀察表明其形態(tài)結(jié)構(gòu)保持完整；在模擬腸液（SIF）和*環(huán)境中，該系統(tǒng)的保護(hù)效果進(jìn)一步增強(qiáng)，存活率分別達(dá)到未處理菌株的19.56倍和10.88倍。特別值得注意的是，微球在胃液環(huán)境中能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（粒徑和電位無顯著變化），而在模擬結(jié)腸液（SCF）中則發(fā)生特異性崩解，實(shí)現(xiàn)結(jié)腸靶向釋放——其電位從-5.753 mV降至-24.13 mV，這一變化歸因于藻酸鹽崩解后羧基的暴露。該納米酶-微球系統(tǒng)通過物理屏障與化學(xué)保護(hù)的雙重機(jī)制，有效保障了益生菌在胃腸道惡劣環(huán)境中的存活與功能，為口服益生菌制劑的開發(fā)提供了新的策略。

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MnCe@LR/AMs增強(qiáng)對(duì)炎癥黏膜的黏附能力

本研究通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了納米酶-水凝膠微球系統(tǒng)（MnCe@LR/AMs）對(duì)羅伊氏乳桿菌（LR）腸道黏附能力及滯留效率的提升作用，為模擬臨床炎癥性腸病（IBD）病理特征，采用葡聚糖*（DSS）誘導(dǎo)建立小鼠實(shí)驗(yàn)性結(jié)腸炎模型，并通過DiR熒光染料標(biāo)記益生菌以動(dòng)態(tài)示蹤其在腸道內(nèi)的分布與滯留特征；結(jié)果顯示，口服給藥12 h后，MnCe@LR/AMs組腸道組織的熒光信號(hào)強(qiáng)度顯著高于游離羅伊氏乳桿菌（free LR）組（p<0.05），且該系統(tǒng)在健康腸道與炎癥性腸道微環(huán)境中均表現(xiàn)出更優(yōu)的長期滯留特性，給藥48 h后小鼠解剖結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，MnCe@LR/AMs處理組結(jié)腸組織的熒光信號(hào)強(qiáng)度顯著強(qiáng)于free LR組，提示該微球系統(tǒng)可有效促進(jìn)益生菌在腸道黏膜表面的黏附與持續(xù)性維持；為量化評(píng)估益生菌腸道定植效率，通過實(shí)時(shí)熒光定量PCR（qPCR）對(duì)小鼠糞便樣本中的菌群DNA進(jìn)行分析，結(jié)果顯示MnCe@LR/AMs組中羅伊氏乳桿菌的相對(duì)豐度顯著高于free LR組（p=0.0013），從菌群定量層面驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)益生菌腸道定植效率的增強(qiáng)效應(yīng)；機(jī)制上，該系統(tǒng)依托帶負(fù)電荷的海藻酸鹽微球（AMs）與炎癥結(jié)腸區(qū)域呈正電的病理微環(huán)境之間的靜電相互作用，實(shí)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌向炎癥部位的靶向遞送，并顯著提升其在炎癥腸道的定植能力。

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MnCe@LR/AMs對(duì)DSS誘導(dǎo)性結(jié)腸炎的治療功效

在證實(shí)納米酶-微球系統(tǒng)可提升益生菌胃腸道耐受性并增強(qiáng)腸道炎癥靶向能力的基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步評(píng)估了MnCe@LR/AMs對(duì)DSS誘導(dǎo)性結(jié)腸炎的治療效果。通過7天DSS造模聯(lián)合7天干預(yù)治療發(fā)現(xiàn)：MnCe@LR/AMs治療組小鼠體重恢復(fù)最快，疾病活動(dòng)指數(shù)（DAI）評(píng)分顯著降低，結(jié)腸長度接近健康組。組織學(xué)分析顯示該組腸上皮損傷顯著減輕，杯狀細(xì)胞數(shù)量明顯恢復(fù)。免疫熒光和Western blot證實(shí)MnCe@LR/AMs能顯著提升緊密連接蛋白（ZO-1和occludin）表達(dá)。ELISA檢測(cè)表明該制劑可降低促炎因子（TNF-α、IL-1β）并增加抗炎因子（IL-4、IL-10）分泌。結(jié)果表明，MnCe@LR/AMs通過多機(jī)制協(xié)同作用——包括抗炎、修復(fù)腸道屏障及調(diào)節(jié)免疫平衡——展現(xiàn)出優(yōu)于單一組分（游離益生菌或納米酶）的治療效果，其療效與臨床常用藥物5-ASA相當(dāng)。

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MnCe@LR/AMs對(duì)急性結(jié)腸炎小鼠腸道菌群的調(diào)節(jié)作用

本研究采用16S rDNA測(cè)序技術(shù)，對(duì)MnCe@LR/AMs在結(jié)腸炎小鼠模型中對(duì)腸道微生物群落的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行了深入分析。研究結(jié)果揭示，經(jīng)MnCe@LR/AMs治療后，小鼠腸道微生物群落的α多樣性顯著提升，具體表現(xiàn)為Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)及物種數(shù)量的增加。此外，β多樣性分析顯示，治療組的微生物群落結(jié)構(gòu)與健康對(duì)照組更為相似，PCoA分析及PERMANOVA檢驗(yàn)結(jié)果（p=0.001）支持了這一發(fā)現(xiàn)。在分類學(xué)層面，MnCe@LR/AMs處理顯著提高了擬桿菌綱（Bacteroidia）和梭菌綱（Clostridia）等有益菌群的相對(duì)豐度，同時(shí)促進(jìn)了雙歧桿菌目（Bifidobacteriales）、梭菌目（Clostridiales）等有益菌群的恢復(fù)，并有效降低了腸桿菌目（Enterobacterales）等潛在致病菌的豐度。熱圖分析進(jìn)一步證實(shí)了MnCe@LR/AMs對(duì)有益菌群如瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）、雙歧桿菌科（Bifidobacteriaceae）的顯著增加作用，以及對(duì)腸桿菌科（Enterobacteriaceae）等有害菌群的減少作用。在屬水平上，益生菌如羅伊氏乳桿菌（Limosilactobacillus）、阿克曼菌（Akkermansia）的豐度得到顯著恢復(fù)，而埃希氏菌-志賀氏菌（Escherichia_Shigella）等病原菌的豐度則受到抑制。相關(guān)性分析表明，羅伊氏乳桿菌的豐度與疾病活動(dòng)指數(shù)之間存在顯著的負(fù)相關(guān)性（r=-0.7410, p=0.014）。功能預(yù)測(cè)分析顯示，MnCe@LR/AMs能夠恢復(fù)腸道菌群的代謝功能，并減少與疾病相關(guān)的代謝通路富集。綜上所述，MnCe@LR/AMs通過重塑腸道微生物群落的平衡，有效緩解了結(jié)腸炎的癥狀。

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MnCe@LR/AMs治療急性結(jié)腸炎的代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析

本研究通過代謝組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)的聯(lián)合分析，揭示了MnCe@LR/AMs在治療結(jié)腸炎中的多重作用機(jī)制。代謝組學(xué)分析揭示，在治療組中，共有525種代謝產(chǎn)物上調(diào)，79種下調(diào)。特別地，色氨酸代謝產(chǎn)物（如吲哚-3-乙酸等）以及氨基酸（包括精氨酸、纈氨酸等）的水平顯著升高，而有害代謝產(chǎn)物如5-羥吲哚乙酸和氧化型谷胱甘肽的含量則有所減少。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，在治療組中，有348個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，584個(gè)基因表達(dá)下調(diào)。KEGG富集分析顯示，這些差異基因顯著富集于代謝通路，而GO分析則表明細(xì)胞外區(qū)域和免疫應(yīng)答等通路被激活。聯(lián)合分析進(jìn)一步證實(shí)，治療組通過上調(diào)Slc15a1、Slc36a1、Slc7a9等氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因，顯著改善了腸道蛋白質(zhì)的消化吸收功能，促進(jìn)了中性氨基酸（如絲氨酸）和陽離子氨基酸（如精氨酸）的吸收。相關(guān)性分析顯示，小鼠體重與氨基酸豐度及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因表達(dá)之間存在顯著的正相關(guān)性，這表明MnCe@LR/AMs通過增強(qiáng)氨基酸的吸收，維持了營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而激活了免疫功能并加速了組織修復(fù)。

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MnCe@LR/AMs的體外免疫調(diào)節(jié)活性

經(jīng)體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，MnCe@LR/AMs能夠通過“雙重靶向"機(jī)制調(diào)控巨噬細(xì)胞的極化狀態(tài)。機(jī)制研究揭示，海藻酸鈉（SA）中的β-D-甘露糖醛酸殘基與巨噬細(xì)胞表面的甘露糖受體（MR）具有特異性結(jié)合能力（分子對(duì)接結(jié)合能為-5.3 kcal/mol），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)炎癥部位的靶向；同時(shí)，微球的負(fù)電特性通過靜電作用增強(qiáng)了巨噬細(xì)胞對(duì)其的攝取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MnCe@LR/AMs能被巨噬細(xì)胞有效內(nèi)化，并顯著促進(jìn)M2型極化（CD206+細(xì)胞比例從15.1%提升至22.2%），同時(shí)抑制M1型極化（CD86+細(xì)胞比例從79%降至63.2%）。通過ELISA檢測(cè)，該處理方式能夠降低促炎因子（TNF-α、IL-1β）的水平，并提升抗炎因子（IL-4、IL-10）的水平。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了MnCe@LR/AMs能夠降低結(jié)腸M1型巨噬細(xì)胞的比例并增加M2型巨噬細(xì)胞群體。競爭抑制實(shí)驗(yàn)顯示，甘露糖預(yù)處理顯著降低了巨噬細(xì)胞對(duì)LR的攝取，從而證實(shí)了MR靶向的特異性。綜上所述，MnCe@LR/AMs通過“靜電吸附+MR靶向"的雙重靶向機(jī)制調(diào)控巨噬細(xì)胞極化，進(jìn)而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。

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MnCe@LR/AMs對(duì)TNBS誘導(dǎo)型克羅恩病（CD）的治療功效

MnCe@LR/AMs在由2,4,6-*磺酸（TNBS）誘導(dǎo)的克羅恩病（CD）小鼠模型中表現(xiàn)出顯著的治療效果。該制劑能有效促進(jìn)體重的恢復(fù)、降低疾病活動(dòng)指數(shù)（DAI評(píng)分），并逆轉(zhuǎn)由TNBS引起的結(jié)腸縮短現(xiàn)象，其結(jié)腸長度的恢復(fù)程度與健康組無顯著差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)MnCe@LR/AMs對(duì)克羅恩病具有治療潛力。

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MnCe@LR/AMs的生物安全性

經(jīng)口服給藥評(píng)估，MnCe@LR/AMs顯示出比較好的生物相容性。在健康小鼠給藥7天的實(shí)驗(yàn)中，未觀察到明顯的體重下降，且主要器官（心臟、肝臟、脾臟、肺臟、腎臟）的組織結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)異常變化，這表明該制劑具有良好的安全性及可忽略的副作用。

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文章總結(jié)

本研究針對(duì)口服益生菌治療炎癥性腸病（IBD）面臨的胃酸破壞、抗氧化能力不足及靶向性差三大難題，開發(fā)了一種新型的錳摻雜二氧化鈰納米酶修飾的羅伊氏乳桿菌海藻酸鹽微球（MnCe@LR/AMs）遞送系統(tǒng)，并系統(tǒng)性地驗(yàn)證了其在多種結(jié)腸炎模型中的比較好治療效果和多重作用機(jī)制，該研究為納米酶與活菌生物療法的結(jié)合提供了范本，展現(xiàn)出巨大的臨床應(yīng)用前景。

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