背景介绍

  肠道菌群在预防和治疗疾病方面发挥着关键作用。口服递送益生菌来调节肠道微生物群的组成在多种疾病治疗中显示出巨大的潜力。然而，复杂的肠道环境影响了细菌的肠道定植，从而限制了益生菌的递送效率。现有的递送方法存在着肠道黏附较少，制备工艺复杂影响细菌活性，以及阻止了益生菌和肠道接触而减少黏附等问题。

  随着对细菌代谢工程的深入了解，细菌的氨基酸代谢工程可直接在细菌表面引入外源化学功能基团，为后续化学反应提供反应位点。点击化学反应具有卓越的反应特异性和出色的反应动力学，即使在复杂的生理环境中也能实现快速发生，从而被广泛应用于生物体内。氨基酸代谢工程和点击化学反应相结合，通过细菌表面修饰的化学官能基团来调控细菌之间的黏附，从而为增强细菌的肠道定植提供了可能。

  文章亮点

  1、我们提出了一种点击化学介导的细菌递送策略，通过调节益生菌和肠道细菌之间的细菌粘附来增强益生菌的定植。

  2、叠氮基修饰的丙氨酸通过氨基酸代谢工程将叠氮基团整合到肠道菌群的细菌壁上。即使在复杂的生理环境中，二苯基环辛炔DBCO修饰细菌也能与叠氮基修饰的细菌通过生物正交结合产生明显的细菌粘附。

  3、该策略突出了代谢修饰的肠道细菌作为反应位点，与DBCO修饰的益生菌原位发生点击化学反应，增强益生菌的递送和定植。

  图文解读

  图1. 点击化学介导的细菌递送策略增强益生菌在肠道定植的示意图

  肠道菌群经过氨基酸代谢使得细菌壁上标记有叠氮基团。DBCO功能化修饰益生菌经口服递送，到达肠道后，与叠氮基团标记的肠道菌群迅速的发生点击化学反应，使得益生菌与肠道菌群之间发生黏附，从而增强益生菌肠道定植。

  图2. 点击化学反应介导的细菌聚集的体外表征

  点击化学反应介导的细菌聚集的体外表征如图2所示。叠氮标记的表达GFP的大肠杆菌和DBCO修饰的表达mCherry的大肠杆菌以1:1的比例共培养(图2A和2B)。我们同时探究了不同细菌密度下1:1混合后细菌共培养物的聚集比例(图2G)。共聚焦荧光图像表明N3-DBCO组细菌发生明显的细菌粘附。我们通过ImageJ的粒子分析功能对细菌的聚集比例进行了分析统计(图2C和2H)。此外，为了探究点击化学介导的细菌黏附在体外复杂环境中是否能发生，我们构建了体外循环装置。被固定在上室凝胶中叠氮修饰的表达GFP蛋白的大肠杆菌与循环液中DBCO修饰的表达mCherry的大肠杆菌发生明显的细菌黏附(图2D和2E)。流式分析也表明生物正交反应介导了叠氮和DBCO功能化修饰的细菌之间发生明显的聚集(图2F)。

  图3.点击化学介导的丁酸梭菌补充疗法的治疗效果

  我们在DSS诱导的结肠炎小鼠模型中探究了点击化学介导的丁酸梭菌补充疗法的治疗效果(图3)。治疗示意图如图3A所示。在治疗过程中，第 3、5、7 和 9 天对小鼠粪便进行疾病指数评估(图3D)，并连续监测小鼠10 天内体重的变化(图3E)。治疗结束后，取小鼠肠道进行长度测试(图3B和3C)和ELISA分析。ELISA法检测结肠组织IL-6、IL-1β、IL-10和IFN-γ蛋白表达水平(图3F-I)。

  总结与展望

  我们提出了氨基酸代谢工程与点击化学相结合的细菌递送策略。这种细菌递送策略可抵抗复杂的肠道环境，增强细菌的肠道递送和定植。代谢修饰肠道菌群可以将叠氮基团等化学基团引入肠道菌群表面，作为化学反应位点。点击化学反应具有卓越的特异性和出色的反应动力学，即使在复杂的生理环境中也能快速发生，并导致细菌之间的特异性粘附。氨基酸代谢工程和点击化学相结合的细菌递送策略为益生菌肠道递送提供了新思路。

  英文原题：In Situ Bioorthogonal Conjugation of Delivered Bacteria with Gut Inhabitants for Enhancing Probiotics Colonization

  通讯作者：张先正，武汉大学化学与分子科学学院

  作者：宋雯芳、姚炜钦、陈其文、郑迪威、韩子意、张先正