口服抗生素（Abx）是治療細(xì)菌感染最常見、最有效的醫(yī)學(xué)手段，但是在治療過程中會(huì)嚴(yán)重破壞腸道菌群穩(wěn)態(tài)，造成慢性疾病。此外，過度使用抗生素也會(huì)導(dǎo)致耐藥細(xì)菌、耐藥基因的積累，因此，通過減少抗生素對(duì)腸道菌群的副作用來優(yōu)化抗生素的使用至關(guān)重要。

2022年7月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱書教授與王育才教授團(tuán)隊(duì)在Nature Biomedical Engineering?上發(fā)表了題為“Glucosylated nanoparticles for the oral delivery of antibiotics to the proximal small intestine protect mice from gut dysbiosis”的文章。該文開發(fā)了一種新型口服抗生素遞送載體-糖基化修飾的陽(yáng)離子納米顆粒(PGNPs)，結(jié)合測(cè)序、膽汁酸靶向代謝組、分子實(shí)驗(yàn)等技術(shù)證實(shí)了口服PGNPs包裹的抗生素可顯著降低對(duì)小鼠腸道微生物群的不利影響，降低抗生素相關(guān)菌群失調(diào)的疾病風(fēng)險(xiǎn)和抗生素耐藥基因在菌群中的積累，該研究具有重要的臨床轉(zhuǎn)化潛力。中科新生命參與了該研究中膽汁酸靶向代謝組的相關(guān)工作。

研究材料

小鼠、四種納米顆粒?

技術(shù)路線

步驟1：鈉依賴性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體2在小腸中高表達(dá)，但在結(jié)腸中不表達(dá)；

步驟2：葡萄糖基化納米載體在近端小腸特異性吸收；

步驟3：PGNPs可減少腸道殘留并增強(qiáng)血液循環(huán)；

步驟4：PGNPs-Abx能有效消除肺部肺炎鏈球菌感染;

步驟5：PGNPs遞送可防止抗生素引起的生物失調(diào)；

步驟6：SGLT1抑制劑可以消除PGNPs-Abx的保護(hù)作用；

步驟7：PGNPs遞送抗生素可改善與肥胖相關(guān)的生物失調(diào)；

步驟8：PGNPs遞送抗生素可減少與失調(diào)相關(guān)的Citrobacter rodentium感染;

步驟9：PGNPs遞送抗生素可降低腸道微生物群中的抗生素耐藥基因。

?研究結(jié)果

1. 鈉依賴性葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1 (SGLT1)和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體2（GLUT2）在小腸中高表達(dá)，但在結(jié)腸中不表達(dá)

腸上皮細(xì)胞頂端的葡萄糖攝取是由葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)的，通過RNA測(cè)序發(fā)現(xiàn)SGLT1在小腸中的表達(dá)量比在結(jié)腸中的表達(dá)量高19倍，此外，GLUT2、GLUT5和GLUT7在小腸中的表達(dá)水平高于結(jié)腸，作者也驗(yàn)證了人樣本SGLT1在小腸中高表達(dá)，但在結(jié)腸中不表達(dá)。因此，作者提出SGLT1和GLUT2在小腸中的高分布可能使葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)的納米顆粒在近端小腸中的靶向作用成為可能。

2. 葡萄糖基化納米載體在近端小腸特異性吸收

基于上述發(fā)現(xiàn)，作者設(shè)計(jì)了通過利用葡萄糖-葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體結(jié)合能力靶向近端小腸的納米載體。共設(shè)計(jì)并制備了四種納米顆粒：NPs（納米顆粒）、GNPs（葡萄糖基化納米顆粒）、PNPs（陽(yáng)性納米顆粒）和PGNPs，將熒光染料包裹在內(nèi)以便于觀察納米顆粒在體內(nèi)的分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與其他類型納米顆粒相比，PGNPs在小腸中的信號(hào)強(qiáng)度較高，在大腸中的信號(hào)強(qiáng)度較低。腸上皮細(xì)胞對(duì)PGNPs的攝取高于其他NPs。此外，PGNPs與SGLT1共定位于近端小腸上皮細(xì)胞，且熒光信號(hào)強(qiáng)度與SGLT1表達(dá)呈正相關(guān)?？傊?，納米顆粒的糖基化功能化通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體SGLT1促進(jìn)其在近端小腸的吸收（圖1）。

3. ?PGNPs可減少腸道殘留并增強(qiáng)血液循環(huán)

與其他納米顆粒相比，PGNPs處理小鼠后其在糞便和盲腸內(nèi)容物中殘留更少，且血液中濃度更高。作者進(jìn)一步研究了PGNPs作為載體是否可以增加抗生素的生物利用度和血液循環(huán)，使用模型抗生素氨芐西林(Amp)研究發(fā)現(xiàn)處理4小時(shí)后，PGNPs-Amp組的Amp血清濃度比游離Amp高20.9倍，且PGNPs-Amp組在前4小時(shí)內(nèi)的生物利用度比其他組高2.4-4.8倍。游離Amp處理小鼠盲腸和糞便中Amp殘留量分別達(dá)到46.4和303.5 μg g-1，而PGNPs -Amp處理小鼠盲腸和糞便中Amp殘留量分別為0.05和0.69 μg g-1。表明納米顆粒的糖基化功能減少了其糞便/盲腸內(nèi)容物殘留，并促進(jìn)了在血液中的吸收（圖2）。

4. PGNPs-Abx能有效消除肺部肺炎鏈球菌感染

為了測(cè)試納米載體傳遞系統(tǒng)是否會(huì)影響抗生素的抗菌功效，作者在肺炎鏈球菌介導(dǎo)的肺部感染小鼠模型中，評(píng)估了不同配方的Amp負(fù)載納米顆粒與游離Amp的抗菌功效。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與使用游離Amp和其他負(fù)載Amp的納米顆粒處理的小鼠相比，PGNPs-Amp或GNPs-Amp組小鼠的炎癥顯著降低，組織損傷減弱。此外PGNPs-Amp對(duì)肺部細(xì)菌的清除效率明顯更高，與5倍劑量的游離Amp抗菌功效相當(dāng)。表明基于糖基化納米載體途徑的抗生素遞送在治療系統(tǒng)性感染方面優(yōu)于游離抗生素（圖3）。

5. PGNPs遞送可防止抗生素引起的生物失調(diào)

作者在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)測(cè)試了氨芐西林和萬古霉素與相同劑量的各種抗生素負(fù)載納米顆粒對(duì)腸道菌群的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)游離Abx處理導(dǎo)致糞便α-多樣性大幅減少，糞便微生物群落結(jié)構(gòu)普遍破壞。與游離Abx或其他NPs-Abx處理相比，PGNPs-Abx和GNPs-Abx處理對(duì)腸道微生物群的干擾較低，且糞便微生物群豐富度和群落結(jié)構(gòu)的恢復(fù)更快。此外PGNPs-Abx處理組近端和遠(yuǎn)端小腸內(nèi)容物中觀察到的物種數(shù)量和微生物群落組成幾乎沒有變化，而游離Abx處理組的微生物數(shù)量明顯減少，干擾較大。結(jié)果表明糖基化納米顆粒的遞送在很大程度上可以防止抗生素引起的微生物群改變，包括細(xì)菌豐富度、多樣性和組成的變化，且PGNPs遞送還可以防止抗生素引起的小腸失調(diào)（圖4）。

6. SGLT1抑制劑可以消除PGNPs-Abx的保護(hù)作用

為了驗(yàn)證PGNPs對(duì)抗生素誘導(dǎo)的生物失衡的保護(hù)作用是否依賴于SGLT1，作者使用SGLT1抑制劑根皮苷(iSGLT1)來研究PGNPs- Abx對(duì)腸道微生物群的影響。與未使用抑制劑的PGNPs-Abx組相比，與抑制劑聯(lián)合施用的PGNPs-Abx組中的微生物多樣性顯著減少，微生物組成也有較大的干擾，且恢復(fù)緩慢。而在PNPs-Abx和與iSGLT1聯(lián)合PNPs-Abx處理的小鼠則表現(xiàn)出較大的干擾和緩慢的恢復(fù)。表明由于SGLT1轉(zhuǎn)運(yùn)體在近端小腸中靶向吸收納米顆粒，PGNPs遞送可保護(hù)小鼠免受抗生素誘導(dǎo)的微生物群干擾（圖5）。

7. PGNPs遞送抗生素可改善與肥胖相關(guān)的生物失調(diào)

作者采用高脂飲食（HFD）誘導(dǎo)的肥胖小鼠模型研究負(fù)載抗生素的納米顆粒對(duì)抗生素相關(guān)代謝綜合征的潛在影響。與游離Abx組或其他NPs-Abx組相比，PGNPs-Abx組中HFD誘導(dǎo)的體重和脂肪質(zhì)量的積累及肝脂肪變性較輕，且微生物群影響較低。作者進(jìn)一步從機(jī)理上研究PGNPs是如何保護(hù)小鼠免受抗生素誘導(dǎo)的代謝綜合征，發(fā)現(xiàn)游離Abx顯著改變膽汁酸水平，而PGNPs遞送抗生素則不會(huì)引起膽汁酸水平的系統(tǒng)性改變。接著通過糞便微生物群移植(FMT)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與接受PGNPs-Abx處理小鼠腸道菌群的小鼠相比，接受游離Abx處理小鼠腸道菌群的小鼠體重增加更多，葡萄糖耐受性和肝臟總膽固醇更高，肝臟脂肪變性更嚴(yán)重。表明PGNPs遞送抗生素可緩解與代謝異常相關(guān)的生態(tài)失調(diào)（圖6，7）。

8. PGNPs遞送抗生素可減少與失調(diào)相關(guān)的Citrobacter rodentium感染

抗生素誘導(dǎo)的生物失調(diào)引起的另一個(gè)重要副作用是對(duì)致病性腸道感染的易感性增加。作者評(píng)估了使用游離Abx和不同負(fù)載Abx的納米顆粒處理對(duì)C. rodentium腸道感染嚴(yán)重程度的潛在差異影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與未使用抗生素處理的對(duì)照組小鼠相比，用抗生素處理5 d的小鼠對(duì)C. rodentium感染的敏感性增加，而經(jīng)PGNPs-Abx預(yù)處理的小鼠則沒有差異。接著作者進(jìn)一步研究了SGLT1抑制劑對(duì)C. rodentium感染的影響，結(jié)果表明糖基化納米載體遞送抗生素可以降低對(duì)致病性感染的易感性，避免微生物群的失調(diào)（圖8）。

9. PGNPs遞送抗生素可降低腸道微生物群中的抗生素耐藥基因

作者對(duì)PGNPs-Amp/游離Amp處理的小鼠糞便樣本進(jìn)行宏基因組測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)PGNPs的遞送可全面防止抗生素誘導(dǎo)的抗生素耐藥基因積累。此外與PGNPs-Amp處理組相比，游離Amp處理組糞便樣本中促進(jìn)氨芐青霉素耐藥性基因的拷貝數(shù)顯著增加，產(chǎn)生更多氨芐西林耐藥菌落等，表明PGNPs遞送策略減少了腸道菌群對(duì)抗生素的暴露，并減弱了已知抗生素耐藥基因的誘導(dǎo)（圖9）。

?小編小結(jié)

作者利用葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體SGLT1在小腸特異性高表達(dá)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了糖基化修飾的陽(yáng)離子納米載體，并證實(shí)了糖基化的納米載體對(duì)氨芐西林、氯霉素和萬古霉素的遞送有效。PGNP系統(tǒng)減少了對(duì)微生物群的干擾，口服PGNPs-Abx可提高抗生素的生物利用度，并減少了由失調(diào)引起的不良反應(yīng)。