本周和大家分享一篇发表在 ACS NANO LETTERS上的文献 ，标题是益生菌配备原位矿化纳米催化剂和靶向生物涂层，用于多管齐下治疗炎症性肠病(影响因子为10.8分)。
首先介绍下文章的背景由于肠道菌群失调与IBD密切相关，益生菌由于其肠道微生物组调节能力，最近在IBD治疗中获得了相当多的关注。不幸的是，在炎症性肠道环境中保持益生菌的活性和定植仍然具有挑战性,此外，微环境中活性氧（ROS）升高会使益生菌失活并加剧炎症反应，从而推动IBD的进展。纳米酶是一类蕴含酶学特性的纳米材料能够在生理或极端条件下催化酶的底物水铁矿是一种相对专一的类过氧化氢纳米酶，并且可以被细胞有效分解代谢，具有良好的生物相容性，水铁矿具有最高的类过氧化氢酶活性，且其催化效率在pH 4.0-8.7的范围内保持恒定岩藻多糖主要来源于褐藻，是一类含有岩藻糖和硫酸基团的多糖并且具有抗炎抗肿瘤等多种生物学功能同时还具有p选择素的靶向性。作者通过配备抗氧化纳米催化剂和结肠靶向涂层的工程益生菌平台，用于多管齐下治IBD。
接下来介绍下纳米颗粒的制备方法。
本文中通过简单地将 EcN 与 Fe(NO 3)3·9H2O 在Tris缓冲液中轻轻摇动孵育，即可实现生物催化水铁矿 (FhNP) 在 EcN 上的原位生长。
同时作者对于ECN-Fh进行了表征，发现与天然EcN相比，EcN-Fh的表面显得粗糙，存在多个分散的纳米结构。能量色散X射线能谱和X射线光电子能谱（XPS）分析表明EcN-Fh中存在C、N、O和Fe元素。
XPS谱证实FhNPs和EcN-Fh中的Fe物种主要处于+3价态。通常认为Fe3+而不是Fe2+有助于促进类似CAT的活性。随后，作者深入研究了EcN-Fh的CAT模拟和ROS清除活性。EcN-Fh 和 FhNP 在消除 H2O2 方面均表现出显着的效率Fe3O4 是另一种具有公认的酶模拟能力的铁基纳米粒子，被用于对照，发现在所有pH条件下，FhNP 和 EcN-Fh 的类 CAT 属性均显着超过 Fe3O4。
接下来作者进一步对ECN-FhNP做了表征，在本研究中，岩藻聚糖通过壳聚糖的逐层静电自组装过程被涂覆到 EcN-Fh 上。由于引入了fucoidan，所获得的EcN-Fh@F的Zeta电位从+11.39降低至-18.02 mV SEM 和 TEM 显示 EcNFh@F 表面上有一个具有折叠结构的连续涂层，与裸 EcN 的光滑表面形成鲜明对比。EcN-Fh@F的傅里叶变换红外光谱也证实了岩藻聚糖衍生的成功引入EcN-Fh上的涂层。最后作者研究了细菌的活力。EcN-Fh和EcN-Fh@F在培养6小时后表现出与未处理的EcN相似的OD600值。活/死染色表明EcN-Fh和EcN-Fh@F的活力接近85%以上，这表明 FhNPs 和岩藻依聚糖涂层的生长对细菌活性的负面影响有限。
进一步研究了EcN-Fh和EcN-Fh@F在恶劣氧化微环境中的活力，如预期的那样，与裸 EcN 或 EcN-Fh 相比，EcN-Fh@F 对 H2O2 处理表现出最高的耐受性，这归因于FhNP的ROS清除活性和岩藻依聚糖外壳的保护作用相结合。
接下来在各种GI模拟系统中的ROS清除能力和存活率。在与模拟胃液 (SGF) 或模拟肠液 (SIF) 一起孵育后，EcN-Fh@F 的 ROS 清除能力仍然强劲，表明其抗氧化活性具有高度稳定性。然后检查了岩藻聚糖涂层和FhNP EcN-Fh@F 的稳定性。结果表明，岩藻聚糖涂层和 FhNP 在胃肠道模拟溶液中均表现出高稳定性。然后研究了 EcN、EcN-Fh 和 EcN-Fh@F 暴露于 SGForSIF 后的存活情况。与 SGF一起孵育导致裸EcN活力显着降低。相比之下，EcNFh@F暴露于SGF 20min后，菌落形成单位仍保持在26.3%。通过SEM进一步分析益生菌的形态变化。与EcN组中观察到的严重破坏的细胞结构相比，大多数EcN-Fh@F保留了正常的包膜结构和完整的细胞壁。
接下来，作者研究了EcN-Fh@F的细胞抗氧化能力。最初，我们通过CCK8实验确认了EcN-Fh@F的细胞相容性。将HT-29和DLD-1细胞暴露于H2O2以模拟ROS诱导的结肠细胞氧化损伤，然后与各种益生菌生物平台一起孵育。 H2O2 处理的细胞与 FhNP 或 EcNFh@F 共孵育导致细胞 ROS 荧光显着减少，活/死染色表明 EcN-Fh@F 对健康细胞的细胞相容性及其对发炎结肠细胞的保护能力，此外，我们通过WB检测了凋亡相关蛋白的表达水平，以衡量细胞凋亡的程度。
ROS作为重要的促炎介质，作者接下来用 LPS 刺激骨髓源性巨噬细胞 (BMDM) 以诱导炎症，随后用各种制剂进行处理。EcN-Fh@F有效下调IL-1β，IL-6和TNF-α的分泌，同时上调抗炎因子IL-10的表达。我们评估了 EcN-Fh@F 是否可以促进巨噬细胞重编程, EcN-Fh@F 处理后观察到巨噬细胞中 CD11c 表达显着减少，CD206 表达增加，表明巨噬细胞发生M1至M2极化。
将等量的裸露EcN、EcN-Fh或EcNFh@F口服给予结肠炎小鼠，然后使用IVIS进行成像与EcN or EcN-Fh 组相比，给予 EcN-Fh@F 的小鼠腹部表现出明显更亮的荧光信号。通过收集结肠内容物进行卡那霉素平板计数来评估口腔细菌存活率, 从施用 EcN-Fh@F 的小鼠肠道中回收的活 EcN 计数比裸 EcN 组高近100倍，比 EcN@ 组高 10 倍。总的来说，EcN-Fh@F 增强了益生菌的活力和定植以及纳米催化剂在结肠内的保留。接着我们开始研究在体内该平台对抗结肠炎的治疗潜力。在预防性实验中，我们证明口服 EcN-Fh@F 可以有效保护小鼠免受DSS诱导的结肠炎的发展。
然后我们验证了 EcN-Fh@F 作为治疗结肠炎的有前途的治疗干预措施的潜力EcN-Fh@F 的干预导致体重恢复、粪便异常减轻，平均疾病活动指数 (DAI) 评分从 3.0 降低至 0.8。EcN-Fh@F 还导致结肠长度大幅恢复,其结果优于一线临床药物5-ASA。H&E染色进一步表明，EcN-Fh@F有效消除溃疡性病理病变，减少炎症细胞浸润，并恢复粘膜结构。EcN-Fh@F 治疗还导致结肠 MPO 活性和脾脏重量显着降低，总之EcNFh@F 对结肠损伤表现出优异的治疗效果。
最后为研究该平台改善肠炎的机制分析了结肠样本中的免疫微环境，EcN-Fh@F治疗导致促炎性IL-1β、IL-6和TNF-α水平显着降低，同时显着上调抗炎性IL-10和TGF-β的表达。然后研究了EcN-Fh@F调节肠道巨噬细胞极化的能力，证实EcN-Fh@F可以有效恢复肠道免疫稳态。
肠道微生物群在维持肠道稳态方面发挥着关键作用与DSS组相比，EcN-Fh@F 的施用显着增强了肠道微生物群的α多样性和数量。由此产生的PcoA图表明，EcN-Fh@F组的肠道微生物群特征与DSS组的肠道微生物群特征表现出显着的不同，并且往往与健康组的肠道微生物群特征更加相似。维恩图表明EcN-Fh@F处理增加了肠道微生物的数量。同时EcN-Fh@F 处理增加了有益细菌的丰度，如 Muribaculaceae、Prevotellaceae UCG-001 和Lachnospiraceae_NK4A13，减少了促进IBD的致病菌，如变形杆菌和埃希氏菌属-志贺氏菌。总体而言，EcN-Fh@F干预成功优化了肠道微生物群的组成，有助于提高对结肠炎的治疗效果。
汇报人：吴昊特