23分钟详解如何“涂装”有益菌以使其更强大
刘尽尧 | 热心肠智库专家 2021-06-24
时长:23:35 字幕:热心肠小伙伴们 审校:李丹宜
对细菌进行精准操控,材料化学如何大显身手?
刘尽尧
上海交通大学分子医学研究院,上海市肿瘤研究所,研究员
刘尽尧博士,2018年第十四批海外高层次人才引进青年项目获得者,上海交通大学医学院分子医学研究院、癌基因及相关基因国家重点实验室课题组长,研究员,博士生导师。2013年获上海交通大学材料科学与工程博士学位,2013至2018年分别在美国杜克大学生物医学工程系以及麻省理工学院科赫肿瘤研究所从事博士后研究。回国独立组建生物材料转化医学研究课题组,在生物医用材料、药物高效递送系统、纳米药物与转化医学方面开展课题研究,尤其在细菌药物与制剂方面取得突破性进展,并取得一系列具有临床转化前景的原创成果。
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图文实录

大家好,我叫刘尽尧,来自上海交通大学医学院分子医学研究院。我今天跟大家分享的题目是《新型口服微生态制剂》。

我们知道大自然普遍存在微生物,只是平时很难通过我们的肉眼看得见。同样,微生物也广泛存在于我们人体内,比如皮肤表面、口腔、呼吸道以及胃肠道,都存在着大量的微生物。

这些微生物与人体的健康息息相关,比如常见的一些疾病,代谢性相关疾病 、心血管疾病,甚至肿瘤,都与人体微生物紧密相连。

与其他部位的微生物相比,最近几年的研究发现,肠道微生物的重要性尤为地突出,因此它被称为人体新发现的一个器官。

从重量上讲,它已经达到了千克级别;从数量上讲,它已经超过了我们人体所有其他细胞的总和。它们包括细菌、真菌、病毒、古菌等等。

肠道微生态里面的微生物可以通过脑肠轴、肺肠轴和肝肠轴等重要途径,与我们人体其他的主要器脏紧密相关。肠道微生态也被称为是人体的第二大脑。在《科学》期刊,它被称为是 21 世纪“十大科学卓见”。

在肠道微生态里面,肠道菌群占了主要的一个组分。它可以通过代谢和免疫途径,与很多疾病的发生发展密切相关。它不仅能够直接影响这些疾病的发生发展,还能够参与用于治疗这些疾病的一些药物的代谢,以及这些药物对这些疾病最终的治疗效果。

与肠道菌群相关的另外一类,最近被大家研究的非常火热的,是肿瘤里面的菌群。

去年,有一个研究小组对超过 1500 例人类的肿瘤进行了深度测序,他们发现人体绝大部分的肿瘤里面,都存在着大量的细菌。这些细菌的存在是与肿瘤的发生发展紧密相关的。

我举两个简单的例子。第一是具核梭杆菌,它是大肠癌化疗耐药的元凶,与大肠癌的发展呈正相关性。因此,具核梭杆菌对我们大肠癌来讲,是一类不好的细菌,它能够促进肿瘤的发生以及增长。

另外一类是最近大家知道的明星细菌叫阿克曼菌,它与胰腺癌等肿瘤的预后是有相关性的,而且将它移植到小动物的肠道里面,能够显著改善抗 PD-1 抗肿瘤免疫疗法的临床响应率。

这类菌群对这些疾病如此重要,我们如果能够对它们进行精准的调控或者调节,那么很多的疾病治疗可能就会变得非常简单。

我们知道将细菌移植到体内进行疾病的治疗,是过去很多年就已经开展了。大家可能听得更多的是粪菌移植,简单来讲就是将正常人的粪菌移植到患者的肠道内,希望能够帮助重构一个稳态的菌群结构。

但是它依然是面临很多问题,我举一个例子来说明。

我们肠道里面的菌群是非常复杂的。将一个正常人的粪菌移植到患者里面,它可能在正常人的身体里面是处于一种稳态,不能诱发感染。但是移植到患者的肠道里面,由于患者本身具有一些免疫的缺陷或者其他原因,也许就会爆发产生非常严重的感染。

去年就有一例关于粪菌移植的临床试验被美国 FDA 叫停,原因就是它有一个安全隐患。所以,粪菌移植或者细菌移植治疗人类疾病的一个最终最理想的状态,就是能够精确、个性化地进行菌群调控。

那怎么能够做到个性化呢?我们就需要对植入进去的细菌进行精准的操控,能够对它们的一些生物学行为进行调节。

现在要对细菌进行改造,通常是采用生物学的方法,就是用合成生物学手段。大家熟知的是通过基因改造,使细菌表达各种不同的分子或者蛋白之类的。

但这种改造它是有安全隐患的,因为我们是要对它的基因进行修改,而且这种修改是不可逆的、是永久性的。尤其是应用到我们人体内以后,它可能带来一些潜在的基因突变,所以它是有安全隐患的。

那怎么能够解决这么一个重要的问题呢?与这个基因水平改造并列的另外一种方法,叫做材料化学方法。

大千世界存在着各种各样性能优异,甚至非常奇特的材料,它们都是通过材料化学的方法来进行设计和制备的。

比如我们大家用的手机显示屏。在第一代的时候,手机显示屏非常的坚硬抗摔,摔了以后它不会碎。但现在最新的一代是一个折叠屏,它可以通过一个非常好的柔性的屏幕连接,你能够把它折合起来,打开之后同样像正常的显示屏一样。这在之前我们是不敢想象的。

这样一些的材料怎么能够有这么新颖奇特的性能呢?这就是通过材料化学实现的。我们就在想,是否能够通过这一类方法来解决微生物或者细菌的改造所面临的一些安全性的问题呢?我们就在这个地方有了这么一个想法。

那具体怎么来做呢?材料的种类如此之多,性能如此之多,我们怎么来进行一个精准的修饰呢?

我们知道,任何一个物体或者材料,它都具有一个表面与界面,表面与界面的性能可以决定这个材料的整体的性能。

举个简单的例子。如果我们给小汽车表面涂上油漆,可能过了 50 年会发现这辆车的颜色还是非常的鲜亮;如果我们舍去这一层涂漆,也许过了 5 年车上的钢铁就全部锈得不成样子。

从宏观的角度来看,材料的表面与界面就变得非常的重要,同样在介观甚至微观的尺度,道理也是一样的。

比如我们一个纳米级的药物,也叫纳米药物,它容易团聚在一起,很难分散在水溶液当中,但是如果对它进行体内的注射,我们需要它单分散,非常好地能够溶解在体液里面。我们对纳米药物表面进行一个简单的分子修饰,就能够使它具有非常好的分散性,而且能够很好地分散或者溶解在水里面。

也就是,我们对材料的表面与界面进行分子改造,有可能就彻底改变一个材料的整体的性能。所以我们就在想,这么一个表面的修饰,能不能用来实现细菌的改造呢?

我们知道细菌是介于纳米和微米之间的这么一个尺寸,它大概在一微米左右。当然它也存在表面和界面,而且它的表面对它的生物学行为来讲是非常的重要的。

细菌表面有非常多的固有抗原、黏附因子,还有鞭毛等“运动器官”。它们在细菌的生理学功能方面,发挥着非常关键的作用。比如它们的游动、摄取营养、一些分子的分泌等,都与表面的性能是紧密相关的。

所以,我们是否能够用材料化学的方法来改造细菌的表面,给细菌注入一些新的外源性的功能,而这些功能刚好是细菌本身所不具备的,甚至是通过传统的合成生物学的手段也没法实现的。

但是要做这么一件事情不是那么的容易 ,它非常有挑战性。

我们知道细菌的种类繁多、形状各异,具有不同的表面分子与基团,而且具有生物学的活性。它跟我们人工合成的材料不一样,它是有生命的。所以对这一种有生命活性的细菌进行表面改造就变得异常地困难。

我们团队在最近几年就提出一个新的想法,叫做“细菌表面涂层”。简单来讲就是我们给细菌穿上一件“外衣”或者“外套”,希望这件外套的引入能够彻底改变细菌的生物学行为,或者引入一些外源性的独到的功能。

而且这样的方法非常地普适,各种大小形状的细菌拿过来,我们都可以给它穿上这样的外衣。就像我们人穿衣服是一样的,我们胖一点、瘦一点、高一点、矮一点,没关系,就把衣服的尺寸改一下,我们都能够穿得上。

从一个透射电子显微镜的照片,我们可以看得见,一旦给细菌穿上这么一件外套,它表面隐隐约约就有一个完整的涂层。然后我们如果对这个涂层进行荧光探针的标记,通过共聚焦显微镜就可以看得到它表面有一件完整的外套。

这样的涂层或者外套的穿着效率是非常高的,它几乎可以做到定量。

那么这么一件外套能不能像我刚才之前讲得一样,改变细菌的行为呢?我们就做了这么一个尝试。我们将人体细胞膜的主要组分——磷脂分子,通过一个材料化学的手段,让它能够自发地排列在细菌的表面形成一个额外的生物膜。

这件生物膜跟我们自然的细胞生物膜可能不太一样,因为这里面没有引入膜蛋白,所以它缺乏一些关键的离子通道,很多分子的进出就变得困难。因为我们人工的生物膜排列非常地紧凑,所以外界的分子要进来就变得更加困难。

我们把这么一件致密的外套穿着在细菌表面以后,细菌就产生了神奇的性能。

把细菌扔在抗生素里面,我们发现如果没有这样的涂层,在 3 小时以后,细菌几乎就已经不具备任何的活性了;如果将我们涂层后的细菌扔进去,5 小时以后,大部分的细菌还依然活得非常好。

我们将这么一个涂层的细菌通过口服进入到胃部以后,大家可以想象得到,它就可以非常好地抵抗胃酸对口服细菌的破坏的作用,所以它们能够保持一个非常好的活力,进入到我们肠道,进行一个有效的菌群的调控。

这就像我们人体要穿衣服是一样的。但是这一件外衣穿在人体身上,并没有改变我们自己本身,它只是带来了一些新的一些性能或者功能。

同样对细菌来讲也是一样,它的生物学行为、基因层面没有改变,但是由于这个涂层或者"外衣"的存在,它能够应对一些外界的环境,带来一些新的外源性的功能。

穿外衣这件事情,还远没有这么简单。为什么?就像游泳健将要去游泳,他穿的外衣其实是非常润滑的,它能够减小身体与水之间的摩擦力。冬天大家要穿一件外套,它不仅要保暖,还不能太厚。太厚了不舒服,我们还要求它薄。

这些性能,我们都可以通过材料化学的手段,对衣服外套进行改造就可以实现。那我们是不是也能够实现在细菌表面这件"外套"的一些功能调控呢?

我们就做了这么一个尝试,将具有一些黏附功能的分子或者组分,也引入到细菌表面的这件外衣里。我们希望这一件外衣带来的性能,同时能够解决目前口服细菌药物或者益生菌所面临的最为关键的两个问题。

第一是前面谈到的,它进入到胃部可能就被失活了。另外,到达肠道以后,它很容易通过胃肠道的蠕动而排出体外。

如果你想让它产生一个非常好的调控作用,我们希望它能够长时间地定植在肠道发挥作用,那本身益生菌或者细菌药物是不具备这样的功能。那是否能够通过这件外衣赋予它这样神奇的功能呢?

我们在这个地方就引入了一个多糖基质的涂层。这样一个涂层,可以起到一个物理的隔离保护作用,抵抗胃酸是没有问题。

它表面的组分能够与肠道的黏膜层有一个特殊的相互作用,所以服用进去以后,它能够被牢牢地粘住在那个地方而定植下来,很好地能够解决这个问题。

当然我们是要有证据的。我们把这样一个涂层的细菌加入到胃酸里面,发现如果没有这样的涂层,在半小时之内,细菌几乎就被彻底地溶解了。如果有这一个涂层,那么它可以做到完好无损。

当把这样的一些涂层细菌加入到肠道以后,它就能够精准地、选择性地去抑制某一种或者清除某一种致病菌,起到一个个性化和精准调控的目的。

我们前面讲到的是,通过一个非常简单的表面涂层,我们能够改变一些细菌的生物学行为。我们这件涂层还很神奇,能够做更为重要的事情,我们甚至可以对细菌的一个整体活性进行操控。

如果我们适当地调整涂层的厚度,使它具有一定的力学强度,当它足以抵抗细菌分裂的时候,细菌就被彻底地包裹在里面而不能增殖和分裂了,也就是说它能够被休眠下来,不会继续增长。

这样一种涂层有个什么好处呢?就是我们将这样涂层的细菌引入到人体内进行疾病治疗的时候,你不要担心它的安全性问题。

这样涂层的细菌可能到了任何的地方,都是处于一个休眠的状态。只有到一个地方,当我们特别设计的涂层能够识别我们人体的某个疾病的微环境的时候,它能够主动地去溶解、化掉,细菌就被释放出来,就能够发挥它自己原本应该发挥的治疗作用。

也就是说,这么一个涂层,能让我们引入到人体内的细菌能在正确的时间、正确的地点、做正确的事情。

同样我们也是有证据的。我们把这么一个涂层的细菌引入到人体内,我们希望它能够只有在肿瘤或者在肠道才脱去自己的外衣,然后复活。

把细菌口服到胃里面以后,第一道难关就是能够在胃酸里面很好地活下来,进入到肠道。只有到肠道,当 pH 发生从酸到碱的这么一个过程时,外套能够识别,才能够主动快速地脱掉。所以,细菌就只能够在肠道发挥它应该发挥的作用。

实现细菌能够进入到肿瘤里面进行菌群调控,这个是更为挑战的。当把细菌引入到人体内以后,人体可没有那么简单让它轻易地能够进入到我们自己的组织里面。人体存在着大量的免疫吞噬细胞,能够把细菌吞进去排掉。

那么怎么能够让细菌存在于我们体内,再进一步跑到肿瘤内部发挥它的调节作用呢?我们给它引入了一件具有“隐身”作用的外衣。

我们引入一些免疫屏蔽分子 CD47 蛋白,这种蛋白是广泛存在于人体的红细胞膜上面的。红细胞有这样一层膜,所以它能够在血液循环里面待上几个月,而不会被我们的免疫细胞清除掉。它一旦受损以后就能够被我们免疫细胞识别、内吞、排掉 ,就清除掉了。

我们就把这样一些免疫屏蔽的分子引入到这件外衣上面,再把这样的涂层细菌打入体内,发现我们的免疫细胞就产生了神奇的变化,它好像就会认为这样的涂层细菌是自己人,对它的识别以及清除的能力就显著降低。这样,细菌就有更多的时间与更多的机会,去钻到肿瘤部位,然后在那个地方进行定植。所以,这么一件具有隐身作用的外衣,能够彻底改变免疫系统对外来细菌的清除作用。

我们做了这样的涂层,各种各样的涂层,也实现了细菌功能的一些改造,它们并不是生物学的改造,基因层次也没有发生变化,只是通过这一件外衣进行了改变,我们是否能够真正地用于疾病的治疗呢?

我们接下来就做了两方面简单的尝试,首先关注的是肠炎。

我们知道肠炎是一种慢性病 ,很难被治愈。我们就想用活的细菌来做这么一个治疗,怎么做呢?

我们给细菌表面的涂层引入一些能跟肠炎病灶部位主动识别的一些组分。这样的细菌口服以后,不仅能够很好地进入到肠道,而且具有一种导航的能力,能够找到肠炎的病灶,富集在那个地方。所以它能够局部地对一个稳态的菌群进行调控。

我们跟临床的一个小分子药物,以及用于临床的一个活的细菌叫 Nissle 1917,进行了一个点对点之间的对比。在小鼠的动物实验里面,我们发现这种具有导航功能的保护外衣,能够使口服的细菌药物产生比其他两种药物更好的治疗效果。

我们接下来做另外一个尝试,就是如何去预防和修复肠屏障。

大家知道肠道屏障功能是非常重要的。我们每天吞入非常多的食物,而且它们能够带入各种各样的致病的因素,比如细菌、病毒,而且肠道环境是非常复杂。虽然肠道以外的器脏跟它紧密关联在一起,但是毫不受影响,这一层屏障就是肠道屏障,它有一个非常好的保护作用。

但如果这个屏障受到破坏或者损伤,那么肠道内的致病因素就能够进入到我们的系统内,就产生一些非常严重的感染或者疾病,比如肿瘤,或者我们常见的一些菌血症或者败血症,这种非常致命的疾病就是与肠道屏障的通透性是相关的。

所以怎么能够预防或者修复肠道屏障呢?目前临床还真的没有有效的方法来做这么一件事情。我们又是给小小的细菌穿上一件神奇的外衣,希望它能够解决这个问题。

我们在这个涂层上加入一个组分,这个组分就是酵母膜上有的一个分子叫做 β-葡聚糖。这样的分子它很神奇,能够识别肠道表皮的 M 褶皱细胞,被褶皱细胞吞进去,进入肠道黏膜免疫的生发中心——派氏结,在这里发生非常强烈的免疫反应,激活 B 细胞,产生大量的免疫球蛋白释放到肠道,这样的免疫球蛋白能够起到维持菌群的稳态或者调节作用。

这样一件外套就给了细菌一个原本它没有的、进入到派氏结里面的能力,也就是因为它激发了一个强有力的黏膜免疫反应,所以它能够很好地维持肠道稳态。

哪怕在我们过量服用抗生素或者引入一些致病菌的情况下,都能够起到一个很好地维持稳态的作用。所以,这样一个策略,就能够做到现在目前临床上所没法实现的预防或者治疗的手段。

简单来讲,我们实验室就是通过给细菌穿上一件用材料化学手段所制备的外衣,通过这样一件外衣的分子结构或者性能的调控,可以赋予细菌多种不同的外源性的功能。这种功能就像我前面讲的,可能是通过生物学的改造的方法都没法实现的。

这种涂层的本质来讲,如果我们用科学的专业术语来讲,就是叫细菌的表面化学涂层。有了这样一件涂层,细菌可以去它去不了的地方,可以抵抗它原本抵抗不了的东西。

所以有了这样的一些涂层,细菌就能够更好地、精准地、个性化地对我们的肠道菌群或者肿瘤菌群进行调控。很多临床上现在治疗非常困难的疾病,也许就变得非常的容易了。

感谢我们团队的每一位成员。

谢谢大家。

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