动态反馈型BacGuard将微生物代谢锚定于宿主共生关系以实现溃疡性结肠炎的实时治疗

《Bioactive Materials》：Dynamic feedback BacGuard anchors microbial metabolism to host symbiosis in real-time ulcerative colitis therapy

　　

摘要：溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）全球疾病负担不断加重，凸显了传统抗炎疗法的局限性。尽管多组学见解已将肠道 microbiota（ microbiota）调控推至治疗创新前沿，但当前依赖益生菌或粪菌移植的策略因缺乏对微生物代谢活力原位（in situ）的时空精度和实时监测，仍受限于经验性设计。本研究开发了代谢正交（metabolically orthogonal）微凝胶平台BacGuard，将益生菌监测与引导的动态剂量调节及空间靶向 microbiota关联代谢调控相统一。其核心设计特征为偶联木寡糖基超支化聚合物（xylooligosaccharide-based hyperbranched polymers, HBXOK）的β-木糖苷酶（β-xylosidase）激活化学发光探针（XOS-CL），并通过微凝胶口服递送。该系统通过酶响应信号实现结肠内益生菌丰度及代谢活性的实时监测，同时通过重定向细菌代谢流促进短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid, SCFA）生成。此双功能系统形成自我强化治疗环路，并以光学方式动态量化微生物活性。通过解析酶活性、 microbiota增殖与宿主互作间的因果脱节，BacGuard将诊断指标桥接至功能性治疗结局。该平台将传感与治疗均锚定于微生物代谢流，重新定义了精准肠道生态系统工程，建立了图像引导的动态剂量调节框架，通过及时且功能适应性调控主动维持 microbiota–宿主共生关系。

论文解读：Dynamic feedback BacGuard anchors microbial metabolism to host symbiosis in real-time ulcerative colitis therapy

溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）是一种慢性炎症性肠病，现有标准疗法如5-氨基水杨酸（5-ASA）、糖皮质激素、免疫抑制剂及生物制剂主要以抑制慢性炎症、缓解临床症状为主，无法从根本上纠正肠道微生态失调。近年多组学研究揭示了肠道 microbiota 及其代谢产物（特别是短链脂肪酸，Short-Chain Fatty Acid, SCFA）在免疫稳态与肠上皮屏障维护中的核心作用，使 microbiota靶向干预成为新兴方向。然而，当前益生菌、益生元及粪菌移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）等手段多为经验性应用，缺乏原位（in situ）、实时监测微生物代谢活力（如β-木糖苷酶 β-xylosidase 活性）的能力，亦无法根据个体微生态动态进行精准剂量调整，导致临床疗效不稳定。现有检测手段（如GC-MS测粪便SCFA、宏基因组测序、空间多组学）虽可反映菌群组成或终末代谢物，但无法实现活体原位时空分辨的功能活力监测，也未能将检测直接耦合于治疗干预，构成关键的转化鸿沟。为此，浙江大学 Jin Zeyuan、Zhang Yaqi 等研究人员在《Bioactive Materials》发表此项研究，开发了一种代谢正交微凝胶系统BacGuard，通过同一微生物代谢事件（β-xylosidase裂解木寡糖 Xylooligosaccharide, XOS 糖苷键）同步触发化学发光报告与益生元底物释放，实现结肠内益生菌代谢活力的实时成像及图像引导的动态剂量调节治疗，在DSS诱导的小鼠UC模型中验证了该系统对菌群重塑、炎症抑制及肠屏障修复的综合疗效。

主要关键技术方法：

研究人员合成了β-xylosidase可激活的化学发光探针XOS-CL（基于Schaap 1,2-二氧杂环丁烷衍生物）及含硫代缩酮（thioketal）抗氧化基团的木寡糖基超支化聚合物HBXOK（由XOS-甲基丙烯酸酯 XOS-MA 与TK-二胺缩合），将二者偶联得HBXOK-CL负载于海藻酸钠微凝胶中经静电喷雾法制备BacGuard。采用体外模拟胃肠液（Simulated Gastric Fluid, SGF；Simulated Intestinal Fluid, SIF；Simulated Colonic Fluid, SCF 含 Bifidobacterium）评估降解行为；Caco-2细胞Transwell模型测跨上皮电阻（Transepithelial Electrical Resistance, TEER）及FD-4通透性评估屏障保护；建立C57BL/6小鼠3% DSS诱导急性UC模型及无菌小鼠定植模型，经口灌胃给予BacGuard（200 mg/kg）或对照XOS微凝胶，于设定时间点用活体成像系统（In Vivo Imaging System, IVIS）采集结肠区化学发光信号；根据Day 4信号强度分层行动态剂量调整；收集结肠组织行H&E、PAS、MUC2免疫组化及ZO-1、occludin免疫荧光/Western blot；血清ELISA测TNF-α、IL-1β、IL-17、LPS及IL-22；流式细胞术分析固有层3型固有淋巴样细胞（group 3 Innate Lymphoid Cells, ILC3, RORγt⁺CD3^?）；粪便16S rRNA测序分析菌群α/β多样性及分类谱；GC测粪便SCFA。

研究结果：

3.1. Design and detection capability of XOS-CL

研究人员设计并合成了XOS-CL探针，验证其在β-xylosidase作用下于554 nm发射化学发光，1 h达峰值后进入平台期。化学发光强度与酶浓度（0.015625–1 U/mL）呈线性，检出限（Limit of Detection, LOD）为2.19×10^?3U/mL；与 Bifidobacterium 活菌数（10⁴–10⁷CFU/mL）呈双对数线性关系。HPLC-MS确认β-xylosidase剪切产生木糖片段触发发光。探针仅响应β-xylosidase（信号较背景高~10³倍），不响应其他酶、离子或pH；共聚焦激光扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscope, CLSM）显示探针可被含β-xylosidase的益生菌（Bifidobacterium adolescentis、Lactobacillus brevis）摄取并产生胞内发光，无酶菌株无信号，证明XOS-CL可特异性、灵敏地原位检测益生菌代谢活力。

3.2. Behavior of BacGuard at physiological conditions

BacGuard微凝胶水合态粒径约231±11 μm，呈单分散球形，冻干后形态保持（直径变化<5%），HBXOK在基质中均匀分布。在SGF（pH 1.2 + 胃蛋白酶）和SIF（pH 6.8 + 胰蛋白酶）中保持完整，在含 Bifidobacterium 的SCF（pH 7.0）中迅速崩解降解释放载荷，符合口服结肠靶向释放预期。CCK-8实验显示提取液处理Caco-2细胞存活率近100%，证实良好生物相容性。

3.3. Performance of BacGuard In vitro

LPS诱导氧化应激Caco-2模型中，含硫代缩酮的HBXOK组活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）荧光（DCFH-DA探针）显著低于XOS组及LPS组，证实其ROS清除能力。Transwell模型显示LPS致TEER下降及FD-4（4 kDa FITC-葡聚糖）向基底侧渗漏，HBXOK处理使TEER恢复、FD-4渗透率降低至接近正常水平，表明BacGuard可通过抗氧化作用保护并修复肠上皮屏障完整性。

3.4. Monitoring capability of BacGuard In vivo

无菌小鼠定植 Bifidobacterium 或 Lactobacillus 后经口给BacGuard，IVIS检测到强结肠区化学发光，PBS对照组无信号，验证体内益生菌检测特异性。DSS-UC模型小鼠中，DSS组因益生菌耗竭信号消失，BacGuard干预组全程可检测且Day 8信号恢复至接近健康对照。粪便16S rRNA显示BacGuard组 Bifidobacterium 和 Lactobacillus 相对丰度显著高于DSS组。按Day 4化学发光强度将小鼠分为轻/中/重度并对应调整后续灌胃剂量，结果显示调整后各组益生菌恢复且信号趋同于健康水平，证明BacGuard的原位酶信号可指导个体化动态剂量调节，实现图像引导精准干预。

3.5. Therapeutic capacity of BacGuard In vivo

BacGuard治疗组DAI评分、体重丢失、结肠缩短及便血程度较DSS组显著改善（优于单纯XOS微凝胶组）。H&E染色示BacGuard组炎症细胞浸润少、隐窝结构保存、杯状细胞丰富，组织学损伤评分最低。分子层面：血清TNF-α、IL-1β、IL-17及LPS水平显著降低，修复性细胞因子IL-22恢复至对照水平；紧密连接蛋白ZO-1、occludin的mRNA及蛋白表达近完全恢复，免疫荧光见正常顶膜分布。16S rRNA示BacGuard组α多样性（Shannon、Simpson、Pielou指数）回升，β多样性（PCoA）聚类靠近对照；门水平 Firmicutes 富集，变形菌及 Verrucomicrobiota（Akkermansia 属）病理性扩增被抑制。体外共培养证实BacGuard选择性促 Bifidobacterium 增殖；粪便SCFA（乙酸、丙酸、丁酸）显著升高且与发光信号趋势吻合。免疫荧光及流式示BacGuard组结肠固有层ILC3（RORγt⁺）在修复期适度扩增并于Day 8回归稳态（DSS组持续高浸润）；体外MNK-3细胞（ILC3样细胞系）经丁酸刺激IL-22分泌增加；PAS及MUC2免疫组化示杯状细胞黏蛋白分泌恢复，表明BacGuard通过促进SCFA产生激活SCFA–ILC3–IL-22–MUC2轴，协同重建黏膜免疫–菌群稳态及上皮屏障。

讨论与结论（翻译自Conclusion部分）：

BacGuard的开发是微生物组工程的重要进展，建立了图像引导动态剂量调节框架，将实时益生菌监测与增强型代谢调控无缝整合。β-xylosidase响应的化学发光探针（XOS-CL）实现了体内益生菌活性的灵敏检测；XOS发酵及HBXOK的抗氧化微环境次级促进益生菌增殖及SCFA生成，形成"微生物代谢–免疫调节–屏障修复"的正反馈环路。该系统利用酶特异性实现微生物活性的时空追踪，同时正交增强有益代谢输出，弥合了微生物检测与干预间的关键缺口；自强化设计使治疗效果通过连续光学反馈动态优化，超越传统单一功能策略。BacGuard的代谢正交性为多种生理背景下宿主–微生物界面工程提供了可扩展蓝图。其双功能（哨兵–守护者）不仅解决了当前微生物组疗法的痛点，也为开发自适应、循证驱动的干预措施开辟新途径。临床转化需解决微凝胶GMP级微流控制备放大、批次一致性及更系统的体内安全性评价；机理上SCFA–ILC3–IL-22–MUC2轴尚需IL-22中和及游离脂肪酸受体FFAR2/3基因敲除实验确证因果。总体而言，本研究证明酶激活材料在微生物组管理与共生治疗中的潜力，为精准肠道生态工程提供了新范式。