溃疡性结肠炎（UC）是一种慢性、复发性的肠道粘膜损伤，主要表现为肠粘液层耗竭、紧密连接异常和肠屏障功能障碍。肠粘液层和紧密连接是密不可分的。当二者受损时，病原菌和毒素入侵损伤肠上皮并引发炎症反馈循环，从而使UC逐渐恶化。目前，口服微生态制剂调控肠道内稳态在治疗肠道疾病方面展现出较大应用前景。然而，现有益生菌无法有效修复肠粘膜屏障并终止炎症反馈循环，使其疗效受到限制。此外，口服益生菌受到胃肠道内的恶劣环境(强酸、消化酶和氧化应激等)影响；益生菌肠道内定殖不足、无法靶向投递到肠炎部位；肠道病理环境中匮乏的营养支持等因素的限制，且益生菌消耗粘蛋白（MUC）会造成肠道损伤。这些情况严重阻碍了口服微生态制剂在肠道疾病上的应用。因此，研制新型益生菌复合体使其能够克服上述不足成为临床的迫切需要。
近期，西安交通大学第一附属医院佘军军教授/王雅助理研究员/生命学院吴道澄教授团队利用新型益生菌Akkermansia muciniphila（AKK）研发了一种胃肠道自适应和营养自供的Akkermansia muciniphila-明胶多孔微凝胶（AKK@GPMGs），并提出了通过类似“创可贴”的方法精准靶向覆盖炎症部位以修复肠粘膜屏障、打破炎症反馈循环协同治疗UC的策略（图 1）。利用天然多酚原花青素（PAs）、肠粘液层的主要成分粘蛋白（MUC）和维持粘液层疏水性的磷脂酰胆碱（PC）在AKK表面逐层包裹形成AKK@PMP，再将AKK@PMP封装在明胶多孔微凝胶中制备出胃肠道自适应和营养自供的AKK@GPMGs。在胃酸环境中，AKK@GPMG表面的明胶多孔微凝胶氢键被破坏、使官能团质子化，胶原蛋白肽链塌陷并分散封闭孔洞，保护了内部AKK@PMP。在肠道环境中，AKK@GPMGs分子结构中的多肽序列可被肠炎部位的基质金属蛋白酶（MMP）特异性识别和分解，靶向释放包含的AKK@PMP；使AKK@PMP类似“创可贴”一样紧密覆盖于发炎肠道部位，促进AKK和PAs-MUC-PC持久协同作用。而PMP外层（PAs-MUC-PC）中的MUC-PC可为AKK提供营养并创造适宜的生长环境，避免了对肠粘膜粘液层的额外消耗。最终，AKK@GPMGs的每种组分协同作用，实现了对肠炎增强的精准靶向协同治疗。
图 1. 胃肠道自适应和营养自供的Akkermansia muciniphila-明胶多孔微凝胶协同治疗溃疡性结肠炎。（A）AKK@GPMGs的制备。（B）AKK@GPMGs的性能和协同靶向治疗。AKK@GPMGs的结构如图2所示，AKK@PMP由AKK和PAs、Ca2+、MUC和PC组成。动态光散射法测定AKK的粒径（1106 ± 25 nm）经过PAs和Ca2+包裹后，增至1280 ± 45 nm，最后AKK@PMP粒径为1485 ± 62 nm。红外光谱与共聚焦等表征确定了AKK@PMP的化学组成。此外，AKK的活力不受涂层的影响。
图 2. AKK@PMP 的制备和表征。AKK、AKK@PAs和AKK@PMP的（A）TEM图像和（B）粒径分布。AKK@PMP的（C）元素分布图、（D）红外和（E）紫外光谱。AKK@PMP的（F）Zeta电位、（G）细菌活力和（H）生长曲线。（I）AKK@PMP的LSCM图像。
图 3. AKK@GPMGs的制备与表征。(A) 不同条件下制备的多孔微凝胶的TEM图像。多孔微凝胶的（B）粒径、（C）孔径分布和（D）形状记忆特性。多孔微凝胶经受（E）胃酸和（F）MMP 后的SEM图像。AKK@GPMGs的（G）SEM和（H）LSCM图像。图3结果显示，在-20℃下冷冻30 min和Span-80 200 mg的条件下，多孔明胶微球具有最佳的粒径和孔径分布。多孔明胶微球具有良好形状记忆特性，经受外力作用后可迅速恢复原状，并且在胃酸环境中表面塌陷可自行封闭孔洞，而在MMP的作用下迅速发生裂解。多孔明胶微球可高效负载益生菌，负载率高达88.4% ± 2.26。
图 4. AKK@GPMGs对胃肠道环境的抵抗力、MMP响应的释放行为以及营养自供特性。益生菌经受（A）SGF（pH 2.0）；（B）SIF（pH 6.8）；（C）胆盐（3 mg/mL）后的存活率。AKK@GPMGs 在（D）模拟胃肠道和（F）MMP环境中消化过程的SEM图像以及释放曲线。AKK和AKK@PMP在BHI或BHI + 0.05% 粘蛋白培养基中增殖情况。（D）流式细胞仪检测AKK对粘蛋白的内化情况。体外实验结果见图4，可以发现AKK@GPMGs在SGF、SIF和胆盐中具有良好的抗性，将益生菌在SGF中的存活率提升30.49倍，有效保护了益生菌在胃肠道输送过程中的活力。AKK@GPMGs在模拟的胃肠道环境中保持形态稳定，内部负载的益生菌几乎无释放，而在含有MMP肠液中被迅速裂解，内部负载的益生菌被快速释放出来，在40 min内达到约99.96%的释放率。此外，AKK@PMP在营养匮乏的环境中可为自身的生长提供营养支持，从而为其在营养缺乏的肠炎环境中发挥作用提供了有效保障。图5结果显示，AKK@GPMGs对ROS具有良好的清除性能。与未包被的 AKK 相比，AKK@GPMGs的ROS清除能力提高了26.47倍。AKK@PMP可类似“创可贴”一样紧密覆盖于发炎肠道部位，将粘附性提升了约83.46倍，显著延长了益生菌在发炎肠道的滞留时间，保证了益生菌在肠道内的持久起效。
图 5. AKK@GPMGs的ROS清除和粘膜粘附能力。（A）NCM 460 细胞经100μM H2O2 和材料处理后的LSCM图像。（B）DCFH-DA荧光强度定量。（C）O2•-、（D）•OH和（E）DPPH的清除率。小鼠的（F）结肠、（G）肠道荧光和（H）体内生物荧光图像。（I）结肠和（J）肠道的荧光定量。（K）体内荧光强度衰减曲线。体内实验结果见图6，结果证明AKK@GPMGs在DSS诱导小鼠结肠炎模型中具有优异的治疗效果。AKK@GPMGs可有效恢复小鼠体重和结肠长度，并降低DAI指数。此外，AKK@GPMGs可显著减轻肠道内的炎症反应，降低促炎症细胞因子水平，提高抗炎细胞因子水平。AKK@GPMGs有效修复了肠道粘液层的损伤，与AKK相比，肠粘液层厚度增加了5.63倍，杯状细胞丰度增加了3.93倍。此外，与AKK相比，AKK@GPMGs有效修复了紧密连接结构，并缓解肠道氧化应激水平，最终将肠道屏障通透性降低了约5.60倍。同样，AKK@GPMGs对5-Fu引起的肠粘膜炎也具有优异疗效。
图 6. AKK@GPMGs对DSS诱导的结肠炎的疗效。（A）建模和治疗示意图。（B）小鼠体重变化。（C）DAI 评分。小鼠（D）结肠、（E）肛周照片和（F）结肠长度。（G）脾脏重量。小鼠结肠组织中（H）IL-6、（I）TNF-α、（J）IL-10 和（K）MPO 的表达水平。（L）结肠组织H&E、AB-PAS和ROS图像。（M）结肠内窥镜图像。（N）结肠组织学评分。（O）小鼠血清中FITC-葡聚糖的荧光强度。此外，AKK@GPMGs能够有效地逆转结肠炎小鼠肠道微生物群失调（图7）。与PBS组相比，AKK@GPMGs组的物种丰富度明显增加。α多样性指数，即香农指数和辛普森多样性指数表明，AKK@GPMGs治疗组与正常小鼠的差异显著缩小，表明AKK@GPMGs有效恢复了肠道微生物的多样性。此外，主坐标分析显示AKK@GPMGs将肠炎小鼠的微生物群特征恢复至与健康小鼠最相似的状态。AKK@GPMGs显著了提高有益微生物的丰度，如包括乳酸菌科、拟杆菌科和疣微菌科，并减少了有害微生物的丰度，如肠杆菌科、脱硫弧菌科以及紫单胞菌科等。相关工作以 “Gastrointestinal Self-Adaptive and Nutrient Self-Sufficient Akkermansia muciniphila-Gelatin Porous Microgels for Synergistic Therapy of Ulcerative Colitis”为题在ACS Nano上在线发表。佘军军教授、王雅助理研究员和吴道澄教授为文章通讯作者，普通外科张玉杰博士为文章第一作者，西安交通大学第一附属医院为该论文的第一和通讯作者单位。该研究成果是佘军军教授课题组在肠道疾病治疗领域的又一重要进展。该工作得到了国家自然科学基金（82202308, 81870380, and 82173394）、国家博士后创新人才计划（BX20220247）、陕西省自然科学基础研究计划（2022JQ-879, 2021TD-41 and 2020KWZ-020）等的资助。
全文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c07658
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