甘露糖修饰MOF的乳酸菌生物膜，双靶点精准狙击大肠杆菌同时修复肠道生态

1. 研究背景与挑战

病原体问题：产肠毒素大肠杆菌（ETEC）引发哺乳动物肠道炎症和腹泻，抗生素耐药性加剧治疗难度。

现有技术局限：传统氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）存在生物利用度低、非靶向释放、生态毒性及耐药性风险。

纳米材料潜力：金属有机框架（MOFs）具备高比表面积、可控释药及抗菌活性，但面临胃酸降解和肠道靶向不足的挑战。

2. 创新设计：双靶向系统（Zn-MOF@Man/LRB）

本文设计了一种具有双靶向方法的新型精密纳米系统，用于治疗由大肠杆菌（E. coli）引起的肠道感染。首先，基于ZnO合成Zn-MOF，其具有增强的浮游细菌和生物膜消除能力；通过甘露糖基化，Zn-MOF@Man 特异性识别大肠杆菌的FimH菌毛，导致其聚集和随后的根除。其次，在全基因组测序的引导下，乳酸菌生物膜的包封发挥了免疫调节功能，克服了与肠道靶向相关的挑战，促进了药物的持续释放。

其核心突破包括：

（1）精准细菌靶向：通过甘露糖修饰，纳米颗粒特异性识别大肠杆菌的菌毛蛋白FimH，诱导细菌聚集并增强杀菌效率，减少抗生素滥用导致的耐药风险。

（2）益生菌生物膜保护：利用乳酸菌生物膜包裹纳米颗粒，抵御胃酸降解，实现肠道靶向递送和药物缓释，突破传统纳米药物口服稳定性差的瓶颈。

（3）菌群-免疫双重调节：纳米系统释放的锌离子协同益生菌促进肠道干细胞分化、修复屏障功能，同时抑制炎症因子，重塑健康菌群。

技术路线如图1所示：

图1合成路线

Zn-MOF合成：以ZnO NPs为前体，合成层状Zn-MOF（厚度≈28 nm）。

优势：比表面积提升20倍（486 vs. 24 m²/g），孔体积翻倍，增强细菌膜穿透力。

甘露糖修饰（靶向细菌）：表面偶联D-甘露糖（Zn-MOF@Man），特异性结合ETEC的FimH菌毛（分子对接结合能：-5.5 kcal/mol）。

作用：诱导ETEC聚集并增强杀菌效果（抑制圈扩大40%）。

乳酸菌生物膜封装（靶向肠道）：全基因组筛选Lactobacillus reuteri，优化其生物膜（LRB）培养条件（液体培养基，生物膜含水率95.06%）。通过共挤出法封装Zn-MOF@Man，形成Zn-MOF@Man/LRB。

功能：抗胃酸降解（pH 1.2下Zn残留量提升3倍）；肠道缓释（模拟肠液pH 6.8中3小时释放80% Zn）；特异性富集于结肠（活体荧光示踪）。

3. 核心实验结果

（1）体外抗菌与靶向

Zn-MOF@Man对ETEC生物膜的清除率较ZnO NPs提高50%。

LRB涂层提升肠道粘附率4倍（Zn在肠组织富集量增加）。

（2）体内疗效（小鼠/仔猪/人源模型）

1）抗腹泻：

仔猪腹泻发生率从35%降至5%，肠道通透性改善（乳果糖/甘露醇比率下降）。

小鼠结肠炎评分降低60%，黏液分泌恢复（AB/PAS染色）。

2）抗炎与屏障修复：

促炎因子（IL-1β, IL-6, TNF-α）下调50%。

紧密连接蛋白（Claudin1/3）表达增加，干细胞标记Lgr5上调。

3）微生态调节：

乳酸菌丰度提升3倍，致病菌（E. coli, Clostridium）减少。

微生物群落结构趋向健康状态（PCoA分析）。

4）生物安全性

细胞存活率>95%（Caco-2细胞）。

无器官毒性（H&E染色及器官指数正常）。

图2  Zn-MOF@Man缓解腹泻的功效

A) 从腹泻患者分离E.coli并探索Zn-MOF@Man抗菌性能示意图（由Biorender绘制）；B-D) 产肠毒素E.coli细胞外聚集及杀菌能力检测：B) 荧光染色（标尺：50 μm）、C) 扫描电镜（SEM）（标尺：10 μm）、D) 透射电镜（TEM）（标尺：1 μm和500 μm）；E) 琼脂扩散法评估Zn-MOF@Man对产肠毒素E.coli的抗菌活性（数值为平均值±标准误，n=9；统计学分析采用t检验）；F) E.coli生物膜经PBS和Zn-MOF@Man处理后的活/死染色检测：活细菌：吖啶橙（AO）染色显绿色荧光、死细菌：碘化丙啶（PI）染色显红色荧光

4. 研究意义

该研究首次将MOF材料、糖基化靶向与益生菌生物膜技术相结合，解决了纳米药物口服递送的关键难题：

双靶向协同：生物膜保护纳米颗粒直达肠道，甘露糖精准识别致病菌，避免“误伤”有益菌，减少系统性毒性。

长效缓释与菌群调节：锌离子持续释放增强抗菌效果，而益生菌代谢产物（如短链脂肪酸）促进屏障修复，形成“杀菌-修复-调节”闭环。

跨物种普适性：在小鼠、仔猪和人类样本中均展现显著疗效，为肠道感染治疗提供了跨物种应用模板。

与现有技术相比，该系统兼具高效杀菌、免疫调节和生态修复功能，且制备工艺绿色经济（共沉淀法），具备大规模生产潜力。

5.展望

1）多功能化设计：引入其他靶向分子（如叶酸）或抗菌金属（如银），应对多重耐药菌感染。

2）智能化递送：结合pH响应材料，实现炎症部位精准释药。

3）临床转化：开展多中心临床试验，推动其在婴幼儿腹泻、畜牧养殖等领域的应用。

总之该研究为抗感染纳米药物的开发提供了全新范式，标志着精准医学与合成生物学的深度融合，有望革新肠道疾病的治疗策略。 

参考文献：

Ma N, Cai K, Zhao J, Liu C, Li H, Tan P, Li Y, Li D, Ma X. Mannosylated MOF Encapsulated in Lactobacillus Biofilm for Dual-Targeting Intervention Against Mammalian Escherichia coli Infections. Adv Mater. 2025 Apr 25:e2503056. doi: 10.1002/adma.202503056. Epub ahead of print. PMID: 40277329.