蘇州大學(xué)《Science Advances》：3D打印螺旋管狀纖維素支架

來源： EngineeringForLife

腸道微生物群與人類健康以及各種疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，例如肥胖癥,、神經(jīng)疾病,、腸道炎癥、外源性過敏,，甚至癌癥,。調(diào)節(jié)腸道微生物群，也稱為微生物群療法,，是一個新興的醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域,，有潛力治療各種健康狀況，并涉及故意改變腸道微生物群的組成和功能,。將特定菌株的益生菌或有益細(xì)菌引入腸道微生物群,，是一種有前途的臨床調(diào)節(jié)腸道微生物群的方法,。然而，口服益生菌通常對腸道微生物群和整體健康益處的影響是暫時的或有限的,。首先,，許多益生菌株對胃酸和膽汁酸敏感。此外,，腸道微生物群的組成可以影響接受口服益生菌個體的生存,。一個被破壞的微生物群或炎癥性腸道條件可能無法為益生菌的定植提供理想的環(huán)境。最后,，個體的整體健康,，如免疫系統(tǒng)受損或某些醫(yī)療條件，可以顯著影響益生菌的生存和有效性,。因此,，如何實(shí)現(xiàn)足夠的腸道遞送以及益生菌在腸道中的長期保留和定植對于口服益生菌療法至關(guān)重要。

來自蘇州大學(xué)的汪超團(tuán)隊開發(fā)了一個3D打印的纖維素衍生螺旋管狀支架,，它能夠高效地實(shí)現(xiàn)益生菌的口服遞送,。得益于其獨(dú)特的表面圖案，該系統(tǒng)可以有效地延長裝載的益生菌在腸道中的保留時間,，而不侵犯附近的組織,，為裝載的益生菌的生存和長期定植提供有利的環(huán)境，并在降解后作為膳食纖維影響腸道生態(tài)系統(tǒng),。本文展示了裝載Roseburia intestinalis的支架在調(diào)節(jié)腸道微生物群方面產(chǎn)生顯著影響,，以治療各種與腸道相關(guān)的疾病，包括肥胖癥和炎癥性腸�,�,；因此，本文提供了一個通用的平臺,，用于益生菌的口服遞送,。相關(guān)工作以題為“3D printed spiral tube–like cellulose scaffold for oral delivery of probiotics”的文章發(fā)表在2024年08月23日的頂級期刊《Science Advances》。

1.創(chuàng)新型研究內(nèi)容

本文報告了一個3D打印的纖維素衍生螺旋管支架,，它能夠?qū)崿F(xiàn)益生菌的口服遞送,，并為益生菌在腸道中的長期保留和定植提供了理想環(huán)境（圖1）。生物打印技術(shù)涉及制造特殊結(jié)構(gòu),，這些結(jié)構(gòu)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛使用,。得益于3D打印的獨(dú)特表面圖案，它可以有效地延長在腸道中的保留時間,，而不侵犯附近的組織,。此外，使用纖維素作為生物墨水可以通過提供有利的環(huán)境來保護(hù)益生菌免受胃酸和膽汁鹽的侵害,，支持益生菌的生存和增殖作為有機(jī)燃料,，并作為膳食纖維影響腸道生態(tài)系統(tǒng),，所有這些都使得長期作用對調(diào)節(jié)腸道微生物群以治療各種與腸道相關(guān)的疾病產(chǎn)生了顯著影響。   

圖1 3D打印纖維素螺旋管口服遞送益生菌的示意圖

【3D支架的獨(dú)特結(jié)構(gòu)】

表面圖案在確定兩個相互作用表面的摩擦特性方面起著顯著的作用,。某些表面處理,，如添加微槽，可以用于故意改變各種應(yīng)用中材料的摩擦性質(zhì),。然后,，本文研究了具有不同環(huán)的圓柱形3D支架與腸上皮細(xì)胞的相互作用（圖2A和B）,。環(huán)的微觀結(jié)構(gòu)可以在掃描電子顯微鏡（SEM）下快速制造,，孔隙結(jié)構(gòu)約為12μm（圖2C），這對于進(jìn)一步的細(xì)菌裝載和維持益生菌的生存是理想的（圖2D）,。環(huán)的數(shù)量可以影響這些管子在腸道中的摩擦力,，而當(dāng)管子有四個環(huán)時（每個環(huán)長度為1.5毫米），摩擦力最大（圖2E）,。這一發(fā)現(xiàn)有幾種解釋,。首先，一個6毫米長的管子,，其表面有四個環(huán),，可能與腸道表面接觸的表面積更大。其次,，環(huán)的深度和間距也可以影響表面的粗糙度,。第三，環(huán)的數(shù)量可能會增加法向力,，反過來又會增加摩擦力,。這個復(fù)雜系統(tǒng)的計算建模結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致（圖2F和G），這強(qiáng)烈支持了表面圖案可以增強(qiáng)腸道中的粘附和保留效果的觀點(diǎn),。同時,，具有四個環(huán)的3D管在結(jié)構(gòu)上也更穩(wěn)定，與其他管子相比,，顯示出最佳的抗壓應(yīng)力和壓縮模量（圖2H和I）,。此外，3D支架的孔隙率和含水量在制造過程后沒有受到顯著影響,。

圖2 3D打印支架的結(jié)構(gòu)及相關(guān)性質(zhì)

【3D支架中的益生菌裝載量】

鑒于3D管在腸道內(nèi)的優(yōu)異體內(nèi)保留能力,，本文進(jìn)一步探索了它們作為益生菌口服遞送平臺的潛力。Roseburia intestinalis (R.i) 是人類和動物腸道中的一種益生菌,，可以通過產(chǎn)生短鏈脂肪酸（SCFAs）作為代謝副產(chǎn)品來參與調(diào)節(jié)腸道炎癥,。通過將R.i（圖S7，A和B）封裝在HMC-海藻酸鈉墨水中,，本文在室溫下打印了一個裝載益生菌的支架管（3D [email protected]）（圖3A）,，每個3D支架中加載了108個集落形成單位（CFU）的益生菌,。掃描電子顯微鏡（SEM）顯示支架微結(jié)構(gòu)內(nèi)正常的桿狀R.i（圖3B）。然后,，熒光標(biāo)記的R.i也可以在3D支架中被檢測到,，確認(rèn)了益生菌的成功封裝。同時,，不同的3D支架的形態(tài)結(jié)構(gòu)和相關(guān)物理性質(zhì)在裝載益生菌后沒有改變,。與游離的R.i相比，3D支架管中的R.i增殖活性略有變化（圖3C）,。此外,，3D支架可以在胃酸或膽汁鹽的作用下維持裝載的益生菌的活性（圖3D和E）。這可能是因?yàn)榇蛴∧�水相對抵抗胃酸和膽汁鹽的腐蝕作用,，為裝載的益生菌提供了保護(hù)性覆蓋,。   

【R.i在腸道中的定植和保留】

口服益生菌通常對腸道微生物群的影響是暫時的，因?yàn)榭诜�益生菌在腸道中的保留時間暫時無法滿足需求,。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和表面圖案,，HMC 3D支架管根據(jù)我們之前的結(jié)果在胃腸道中保留了很長時間。本文進(jìn)一步探究了3D支架管是否可以增加裝載的R.i在大鼠中的保留時間,。熒光標(biāo)記的R.i被裝載到3D支架管中并喂給大鼠,，同時使用游離的R.i作為對照。在不同時間點(diǎn)對接受游離R.i或3D [email protected]的大鼠的腸道進(jìn)行了體外成像,。結(jié)果顯示,，游離R.i的信號在12小時內(nèi)迅速減弱，表明通過口服管理游離R.i在腸道中的定植明顯減少,。然而,，裝載在支架內(nèi)的R.i在腸道中的保留時間要長得多（至少72小時）（圖3N和O）。對大鼠糞便中的熒光信號分析（圖3P和Q）和腸道組織的免疫熒光分析（圖3R）進(jìn)一步支持了本文的結(jié)果,，表明接受3D [email protected]的大鼠排出的R.i比接受游離R.i的大鼠少,。此外，通過使用遺傳熒光素酶標(biāo)記,，可以使用生物發(fā)光追蹤益生菌在體內(nèi)的生物分布,。在給予3D [email protected]后144小時仍可觀察到益生菌的信號，與對照組相比（圖3S至T）,，表明3D支架有效地促進(jìn)了益生菌在腸道中的定植,，而不是水凝膠載體或直接口服益生菌。此外,，在口服給予3D [email protected]后,，實(shí)驗(yàn)動物的主要血液生化指標(biāo)變化不大，證明了這一策略的生物安全性。R.i在腸道中的長時間保留是對腸道微生物群產(chǎn)生顯著影響的前提,。   

圖3 3D纖維素支架促進(jìn)益生菌的生長和定植

【在高脂飲食喂養(yǎng)的大鼠中調(diào)節(jié)腸道微生物群】

如圖4A所示,，喂食高脂飲食（HFD）的大鼠通過口服灌胃接受3D [email protected]治療（108 CFU），每周一次,，共四次,。使用相同劑量的游離R.i或空白3D支架（3D Sca）作為對照。在第9周,，使用16S RNA鑒定經(jīng)過各種處理后的大鼠微生物群落,。HFD可能導(dǎo)致不同微生物物種的相對豐度失衡，例如,，與未處理的大鼠相比,，喂食HFD的大鼠中的厚壁菌門和擬桿菌門明顯較低（圖4B和C）。與對照治療相比,，3D [email protected]治療改善了喂食HFD的大鼠的微生物群平衡,。本文在喂食HFD的大鼠中觀察到，經(jīng)過3D [email protected]治療后,，腸道微生物組成顯著改善（圖4B和C）。與本研究團(tuán)隊之前的結(jié)果一致,，單獨(dú)喂食游離R.i對喂食HFD的小鼠腸道內(nèi)R.i的相對豐度影響最小,，這表明在喂食HFD的小鼠中，R.i的定植受到顯著影響,。相比之下,，與對照組相比，口服灌胃3D [email protected]后,，R.i細(xì)菌的相對豐度顯著更高,，表明3D [email protected]對大鼠腸道中R.i的活性和定植的影響比單獨(dú)口服R.i更大（圖4D）。   

圖4 裝載R.i的3D支架改善了高脂飲食在腸道中引起的微生物紊亂,，并重塑了腸道微環(huán)境   

【3D [email protected]在治療HFD誘導(dǎo)的肥胖癥中的作用】

鑒于3D [email protected]在調(diào)節(jié)與肥胖相關(guān)的腸道微生物物種和組成方面的顯著作用,，本文接下來探究了3D [email protected]是否可以逆轉(zhuǎn)大鼠中HFD誘導(dǎo)的肥胖。大鼠被喂食HFD共8周,。在第2周,，大鼠接受3D [email protected]、游離R.i或空白支架治療,，如圖4A所示,。盡管單獨(dú)的游離R.i或空白支架對體重增長影響最小，但3D [email protected]顯著延遲了體重增長,，包括絕對體重增長和相對體重變化率（圖5A至C）,。同時，收集了實(shí)驗(yàn)大鼠的白色脂肪組織（WAT）。接受空白支架或游離R.i治療的大鼠由于纖維素的微弱調(diào)節(jié)作用而略微減少了脂肪生成,，而接受3D [email protected]的大鼠顯著抑制了WAT的形成（圖5D至F）,。此外，接受3D [email protected]治療的大鼠的Lee氏指數(shù)和體質(zhì)指數(shù)也比對照組有所改善（圖5G和H）,，以及包括甘油三酯（TGs）,、總膽固醇（TCHO）、低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）和高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）在內(nèi)的各種主要脂質(zhì)生化標(biāo)志物,，在治療后都趨于正�,；�（圖5I至L）。   

圖5 裝載益生菌的3D纖維素支架改善了免疫微環(huán)境并調(diào)節(jié)了肥胖程度

【3D [email protected]對炎癥性腸�,。↖BD）的治療效果】

為了進(jìn)一步擴(kuò)展本文提出的腸道遞送系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,，本文探究了其在治療其他與腸道相關(guān)疾病中的療效。炎癥性腸�,。↖BD）,，如克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎，是一種以胃腸道慢性炎癥為特征的病癥,。為探索3D [email protected]在治療IBD中的療效,，本文用硫酸葡聚糖鈉（DSS）鹽口服處理大鼠7天以誘導(dǎo)急性腸炎（圖6A）。IBD大鼠按照先前描述的方法用3D [email protected],、游離R.i或空白支架進(jìn)行治療,。同樣，3D [email protected]顯著重塑了腸道微生物群的豐度和多樣性（圖6B至E）,。在接收3D [email protected]的大鼠中,，R.i的種群數(shù)量顯著高于喂食游離R.i的大鼠（圖6F）。此外,，相關(guān)益生菌和相關(guān)短鏈脂肪酸的豐度顯著增加,。然而，致病細(xì)菌的豐度減少了（圖6G至J）,。主成分分析（PCA）顯示,，大鼠的腸道菌群傾向于恢復(fù)正常水平，進(jìn)一步證實(shí)該治療促進(jìn)了腸道菌群失調(diào)的修復(fù)（圖6K）,，并且導(dǎo)致大鼠中各種短鏈脂肪酸的水平最高（圖6L）,。   

圖6 3D纖維素支架平臺調(diào)節(jié)了急性腸炎

2.總結(jié)與展望

總之，本文設(shè)計了一種由纖維素衍生的3D打印益生菌遞送載體,，通過獨(dú)特的表面圖案有效地延長了其在腸道中的保留時間,。此外，3D打印載體可以促進(jìn)裝載的益生菌的生存和定植,，改善腸道微生物群失調(diào)并調(diào)節(jié)腸道炎癥,。本文展示了3D打印益生菌遞送載體在治療大鼠肥胖癥和炎癥性腸病方面的治療效果,。這種方法為提高益生菌定植效率和促進(jìn)腸道相關(guān)疾病的治療提供了潛在的平臺。   



文章來源：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp3654