炎症性肠病(IBD)是一组包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)在内的特发性肠道疾病，它不仅给全球带来健康和经济负担，还大大降低患者的生活质量。尽管IBD的发病复杂难以捉摸，但新的证据表明，IBD与肠粘膜屏障功能障碍和细菌菌群失调有关，从而导致活性氧(ROS)和炎症因子升高导致过度活跃的免疫反应。目前可用的临床治疗方法主要集中于通过抑制肠道炎症负担来改善疾病相关症状。尽管5-氨基水杨酸酯(5-ASA)和皮质类固醇甚至肿瘤坏死因子(TNF)拮抗剂的免疫抑制药物具有强大的作用，但它们并不是对所有患者都有益。此外，它们的长期使用可能导致严重的药物不良反应，包括死亡，甚至增加感染和恶性肿瘤的风险，而口服益生菌疗法一直是治疗IBD的有希望的佐剂，它依靠肠道来积极调节肠道内的细菌组成从而促进肠粘膜修。然而，由于缺乏过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶，这些严格的厌氧益生菌易受到ROS损伤，从而降低治疗效果，延长治疗期。对更有效和更安全的IBD治疗方法的需求尚未得到满足。

为了得到更有效和更安全的IBD治疗方法，浙江大学毛峥伟教授在 Nature Nanotechnology 期刊发表了题为：Artificial-enzymes-armed Bifidobacterium longum probiotics for alleviating intestinal inflammation and microbiota dysbiosis 的论文。该论文报告了人工酶修饰的长双歧杆菌在炎症性肠病中重塑健康的免疫系统。长双歧杆菌可以促进生物相容性人工酶的靶向和滞留，持续清除升高的活性氧，减轻炎症因子。而人工酶减少炎症，提高细菌活力，迅速重塑肠道屏障功能，恢复肠道微生物群。这个人工酶修饰的长双歧杆菌应用于小鼠和犬炎症性肠病模型上，表现出优于传统临床药物的效果。

研究结果

01 长双歧杆菌的设计与表征

铁单原子催化剂(Fe SA)首先通过金属有机框架包封的铁前驱体(Fe@MOF)进行热解制备。所得Fe SA呈菱形十二面体形状，平均尺寸为168 nm，以原子分散的形式存在。受快速简便的硼酸邻苯二醇基点击反应的启发，作者选择了硼酸-聚乙二醇(C18-PEG-B)连接剂来结合厌氧BL和Fe SA。通过用C18-PEG-B对Fe SA进行功能性修饰，初步制备出模糊化的SA，并表现出增强的胶体稳定性。最后，通过简单地将不同比例的B-SA与BL混合，构建出益生菌-人工酶体系BL@B-SAx。其中，BL@B-SA50被选择用于体外和体内抗炎评价。由于它们在后来的研究中具有最佳的细菌保护作用和抗ibd潜力。它们可以直接使用或储存在含有稳定介质的厌氧管中。

图1 人工酶武装益生菌的表征

02 BL@B-SA50的ROS清除能力

首先监测了B-SA对IBD中具有代表性的活性氧O2-、H2O2和•OH的ROS清除能力。总体而言，B-SA通过CAT-like特性表现出强大的ROS清除能力，优于其他报道的抗氧化剂。随后，这些抗氧化剂B-SA包合体显著提高BL的ROS清除活性，并确保它们在恶劣氧化微环境中的耐受性。同时，用B-SA工程化，无论是在正常环境还是炎症环境下，都能维持BL的生长。

图2 外多种 ROS 清除能力

03  胃肠道中BL@B-SA50稳定性的评估

在到达发炎的结肠之前，BL@B-SA50摄入后很可能会受到恶劣的胃肠道(GI)环境的影响，如胃酸、胆汁盐和炎症，这些环境会破坏人工酶的稳定，甚至使细菌失活。作者在模拟胃液(SGF)中培养10或20分钟，在模拟肠液(SIF)和模拟炎性结肠液(SICF)中培养1和2小时后，评估BL和BL@B-SA50清除ROS的能力和活力。幸运的是BL@B-SA50在模拟胃液（SGF）中清除ROS的能力与SGF、SIF和SICF保持一致，表明BL@B-SA50具有一定的稳定性。同时，用B-SA武装可以提高BL在SICF中的存活，而不影响其在SGF和SIF中的耐受性。更重要的是，BL@B-SA50在SICF中表现出强大的稳定性，有望在炎症结肠中发挥长期抗炎和微生物调节功能。随后，作者通过光声（PA）成像观察到益生菌引起的肠道靶向增强。有效恢复肠道屏障功能和肠道微生物群是BL@B-SA50发挥作用的先决条件。正如预期的那样，对结肠组织切片的荧光原位杂交（FISH）分析证实BL存在，并且主要局限于结肠粘液层。

图3 BL@B-SA50 在发炎结肠中的稳定性、靶向性和保留性

04 肠道微生物组的调节

BL@B-SA与肠道微生物菌群具有相应的响应机制，作者进一步揭示BL@B-SA对肠道菌的协同治疗肠炎做了16s分析，发现BL@B-SA显著提高了肠道微生物的丰富度，在门水平上抑制了变形菌门的丰富度，提高了厚壁菌门的丰富度。在属水平上，提高了结肠炎性修复益生菌：罗伊式乳杆菌和毛螺旋菌科的水平，抑制了肠出血性大肠杆菌以及肠炎性梭杆菌的丰富度。

为了测试BL@B-SA50是否可以缓解肠道菌群失调，作者继续使用V4区16S核糖体RNA基因测序研究治疗过程中肠道菌群的时间动态。发现BL@B-SA显著提高了肠道微生物的丰富度，在门水平上，DSS显著降低了厚壁菌门的相对丰度，增加了变形杆菌的相对丰度，这是IBD患者生态失调的微生物特征。但不同处理后，细菌多样性和群落组成发生明显变化。特别是BL@B-SA50处理显著增加了结肠炎小鼠中厚壁菌门的相对丰度，降低了变形菌门的相对丰度。相反，未经治疗组进一步加重了IBD的生态失调。进一步揭示治疗后结肠炎小鼠的细菌组成。

图4人工酶武装 BL 益生菌调节 UC 肠道微生物群

05 治疗DSS诱导小鼠模型的治疗效果

为了探索BL@B-SA50的治疗应用范围，作者还评估了其对CD的治疗效果。通过直肠内给药2,4,6-三硝基苯磺酸(TNBS)建立小鼠CD模型，TNBS可以诱导T细胞介导的针对半抗原修饰的自体蛋白/腔内抗原的反应。第9天观察到明显的体重减轻和出血，表明CD建立成功。随后，这些CD小鼠口服不同的物质4天。体重、DAI和结肠长度变化的比较表明BL@B-SA50可能比其他配方更有效。

图5 人工酶武装 BL 益生菌可改善 DSS 诱导的 UC

06 在犬UC模型中的治疗效果

尽管小鼠模型在生物医学研究中被广泛使用，但小鼠研究人类疾病的转化价值仍然存在着争议，因为小鼠往往不能充分代表人类的状况。特别是，在最近的IBD临床试验中，抗IL-17/IL-13/IL-10候选药物的无效表明小鼠模型的局限性。因此，大型动物模型对于验证药物的治疗效果非常重要。在大型动物模型中，狗通常是转化胃肠道研究的最佳代表，因为它们的胃肠道生理、饮食、肠道微生物区系以及与人类相似的自发类似疾病。因此，作者进一步评估了BL@B-SA50在犬UC模型中的治疗效果。犬UC模型是通过向比格犬的结肠腔内注入7%的乙酸来配制的，这种乙酸会损伤肠道并导致炎症因子的产生，类似于人类结肠炎的传播和炎症类型。1天后，内窥镜检查显示，经醋酸处理的狗的结肠有明显的出血和割伤。然而，口服BL@B-SA50显著促进受损结肠的愈合。

图6 使用 BL@B-SA50 治疗比格犬的 UC

参考文献

Fangfang Cao1,2,3, Lulu Jin1, Yong Gao1, Yuan Ding4, Hongyang Wen1,4, Zhefeng Qian1,4, Chenyin Zhang1, Liangjie Hong1, Huang Yang1, Jiaojiao Zhang1, Zongrui Tong1,4, Weilin Wang4 , Xiaoyuan Chen 2,3,5,6& Zhengwei Mao. Artificial-enzymes-armed Bifidobacterium longum probiotics for alleviating intestinal inflammation and microbiota dysbiosis.Nature  nanotechnology18, pages617–627(2023).