为细菌打造「盔甲」，MIT研究人员开发出一种化学涂层用来保护微生物，用「活体生物疗法」治疗胃肠道疾病
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研究人员
资讯来源：DeepTech深科技 + 订阅账号
发布时间：
2021-12-15
我们人类肠道中生活着种类众多、数量庞大的细菌微生物，这些细菌绝大部分都是 “有益菌”，它们有的具有治疗胃肠道疾病的潜力，有的能够帮助对抗结肠癌，有的可以治疗或预防感染等等。
肠道微生物群对于维持人体健康和预防疾病至关重要，当这些微生物不处于稳态时容易引发各种疾病。据统计，胃肠道感染每年造成超 600 万人死亡。微生物在人类健康中发挥着至关重要的作用，迫切需要将它们开发为生物疗法，以维持肠道稳态、治疗疾病等。
一般来说，细菌需要冷冻干燥并配制成胶囊才能用于治疗。虽说把细菌作为药物可以治疗多种疾病，但开发这些 “活体生物疗法” 极具挑战性，其面临的最大的障碍是生活在人体肠道内的绝大部分细菌都为厌氧菌，难以制造、储存和运送它们。
近日，他们在 Journal of the American Chemical Society 上发表了题为 “Protection of Anaerobic Microbes from Processing Stressors Using Metal–Phenolic Networks” 的论文。
该研究论文指出，他们开发出一种新型自组装细胞涂层用来保护厌氧微生物，使其在加工制造环境中不被破坏，包括氧气暴露和冷冻干燥等。据了解，该涂层由金属 - 酚类网络（MPN）组成，是一种金属离子和天然多酚的非共价配位络合物。
研究人员将多酚和金属离子放入溶液中，它们会形成二维网格状薄片，再将细菌加入到溶液中，材料便会自组装成单个细菌细胞上的涂层。值得注意的是，与传统依赖共价键的涂层不同，MPN 是通过非共价相互作用吸附在表面上。
安全性方面，这种涂层由氯化铁和天然酚组成，它们都被美国食品和药物管理局（FDA）归类为 GRAS（通常认为是安全的）。
研究人员通过实验证明：这种涂层能够有效保护厌氧菌免受多种制造和储存压力，而不需要添加剂（例如低温保护剂或活性氧清除剂）。被保护起来的细菌是健康的、能够进行正常的细胞活动，只是它们的生长暂时受到抑制。此外，该涂层在酸性条件下可快速分解，非常适合口服给肠道。例如胃的环境，涂层会被胃酸分解并释放细菌。
图｜使用 MPN 对厌氧微生物进行保护（来源：JACS）
这种涂层还可以应用于许多其他微生物。“我们相信这种涂层可用于保护几乎所有可以用来开发疗法的微生物。” 麻省理工学院化学工程系 Ariel Furst 教授说。“我们认为有微生物可以帮助治疗各种疾病，我们可以保护它们从而进行制造和生产。”
此次研究用来测试涂层的细菌名为多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron），是人类肠道中数量规模最大的细菌之一，为一种碳水化合物降解细菌，能够将许多植物类食品中的大分子碳水化合物降解为葡萄糖和其他易消化的小分子糖类，从而帮助人体高效地从食物中摄取营养。然而，由于该细菌对氧气极为敏感，此前很难开展将其作为生物治疗药物的研究，如今这一局面彻底改变。
这种涂层的另一种应用是保护用作疫苗的微生物。比如，卡介苗由导致结核病的牛型分枝杆菌组成，难以生产且必须进行低温保存，现在，这些细菌加上这种涂层就可以消除冷藏的需要。“如果我们能够消除冷藏和运输的需求，我们认为这将使许多治疗方法得到更广泛地应用。”Ariel Furst 说。
[1] Gang Fan, Pris Wasuwanich, Mariela R. Rodriguez-Otero, and Ariel L. Furst. Protection of Anaerobic Microbes from Processing Stressors Using Metal–Phenolic Networks, Journal of the American Chemical Society, 2021
[2] https://news.mit.edu/2021/microbe-coating-biotherapeutics-1210
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