蘇州大學汪超教授團隊 Sci. Adv.：3D打印螺旋管狀纖維素支架用于口服益生菌遞送
腸道微生物群與人體健康密切相關，與肥胖、神經系統疾病、腸道炎癥、外源性過敏甚至癌癥等各種疾病都有一定的關系。口服益生菌通過添加到體內腸道已有的微生物群中，以維持體內微生物的生態平衡，從而輔助治療疾病。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有限。究其原因主要是腸道微生物組的紊亂或腸道病理微環境可能無法為益生菌的定植提供理想的環境。會顯著影響益生菌的存活和有效性。因此，如何有效的實現腸道益生菌的遞送以及益生菌在腸道中的長期滯留和定植是促進口服益生菌療效的關鍵。
近日，蘇州大學汪超教授團隊開發了一種3D打印纖維素衍生的螺旋管支架用于口服益生菌遞送。生物打印技術涉及制造特殊結構，廣泛應用于生物醫學領域。得益于此，該團隊通過3D打印技術構建了獨特的螺旋管狀支架，在不侵入附近組織的前提下可以有效地延長其在腸道內的滯留時間。此外，利用纖維素作為生物遞送載體，可以為相關益生菌的生存提供良好的條件，保障益生菌在腸道內的滯留和定植。與此同時，3D打印螺旋管狀纖維素支架也可以作為膳食纖維調節腸道生態系統，這些效應對腸道微生物群的調節產生顯著影響，并為治療各種腸道相關疾病提供了新的可能（圖1）。
圖1.3D打印螺旋管狀纖維素口服益生菌示意圖。(A)3D打印纖維素螺旋管的制備過程及促進益生菌在腸道中的增殖和定植。(B)3D支架通過重塑微生物內穩態，促進腸道健康，調節腸道炎癥。
3D纖維素衍生管支架通過3D打印技術構建獨特的結構形態和表面模式，進而增強益生菌在腸道內的滯留；負載益生菌的3D螺旋狀支架可以有效的維持益生菌的增殖活性，也為益生菌在腸道的定植和增殖提供良好的條件(圖2)。此外，益生通過消化降解3D支架，分泌短鏈脂肪酸（SCFAs）以及支架降解產物調節腸道微環境，如菌群結構以及腸道免疫微環境等，進而促進腸道健康的修復。
圖2.3D纖維素支架可促進益生菌的生長和定植。
有研究表明，高脂肪、低纖維的飲食會對腸道微生物群的組成和功能產生不利影響，導致某些細菌和代謝物的減少，從而促進慢性低度炎癥和肥胖。隨后，該團隊在大鼠的高脂模型中探究了負載益生菌的3D支架（3D Sca@R.i）對腸道菌群的影響以及其在調節高脂飲食（HFD）喂養的大鼠腸道微生物群中的潛在治療作用（圖3）。相關結果表明，HFD可導致微生物種類的相對豐度失衡，如厚壁菌門和擬桿菌門，而喂食3D Sca@R.i有效的改善了HFD喂養的大鼠的微生物群平衡，證實負載益生菌的3D支架可以通過調節菌群結構改善高脂飲食導致的菌群紊亂。
圖3.負載R.i的3D支架改善了腸道內HFD引起的微生物紊亂，重塑腸道微微生物結構。
鑒于3D Sca@R.i在調節腸道肥胖相關微生物組物種和組成的獨特優勢，該團隊進一步驗證了3D Sca@R.i是否可以逆轉HFD誘導的大鼠肥胖。在接受不同處理后可以觀察負載益生菌的3D支架可以有效的抑制大鼠體重的增長以及脂肪的產生，與此同時，相較于高脂飲食組，喂食負載益生菌的3D支架的實驗組的相關指標也更趨近于正常飼料喂養的對照組，證實口服3D益生菌遞送載體可以有效的改善高脂飲食導致的肥胖。此外，相關的血脂參數也進一步證實了這一觀點。與此同時，腸道的炎癥微環境也出現有效的改善（圖4）。
負載益生菌的3D支架在治療其他腸道相關疾病也展現出良好的治療效果。炎癥性腸病（IBD），如克羅恩病和潰瘍性結腸炎，是一種以胃腸道慢性炎癥為特征的疾病。在這一模型中也觀察到類似的現象，負載益生菌的3D支架通過調節腸道中益生菌的數量，重塑腸炎導致的微生物群紊亂，并通過相關炎癥因子的水平，實現相關疾病的改善。
圖4.負載益生菌的3D纖維素支架可改善腸道免疫微環境，調節高脂飲食導致的肥胖。
綜上，該研究通過3D打印技術構建了具有獨特結構的益生菌遞送載體，通過改善遞送載體在腸道中的滯留進而增加腸道中益生菌的數量，調節腸道微生物平衡。與此同時，益生菌分泌的SCFAs以及3D支架的降解產物也可以促進腸道中其他相關益生菌菌群結構的重塑，從而調節腸道生態系統并調節炎癥基因的表達，改善腸道的微環境進而實現相關疾病的改善和治療。該工作以“3D printed spiral tube-like cellulose scaffold for oral delivery of probiotics”為題發表在《Science Advances》上。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp3654
課題組網頁：https://funsom.suda.edu.cn/c3/9d/c2735a50077/page.htm
