苏州大学汪超教授团队 Sci. Adv.：3D打印螺旋管状纤维素支架用于口服益生菌递送
肠道微生物群与人体健康密切相关，与肥胖、神经系统疾病、肠道炎症、外源性过敏甚至癌症等各种疾病都有一定的关系。口服益生菌通过添加到体内肠道已有的微生物群中，以維持體內微生物的生態平衡，从而辅助治疗疾病。然而，口服益生菌通常对肠道微生物群和整体健康益处的影响有限。究其原因主要是肠道微生物组的紊乱或肠道病理微环境可能无法为益生菌的定植提供理想的环境。会显著影响益生菌的存活和有效性。因此，如何有效的实现肠道益生菌的递送以及益生菌在肠道中的长期滞留和定植是促进口服益生菌疗效的关键。
近日，苏州大学汪超教授团队开发了一种3D打印纤维素衍生的螺旋管支架用于口服益生菌递送。生物打印技术涉及制造特殊结构，广泛应用于生物医学领域。得益于此，该团队通过3D打印技术构建了独特的螺旋管状支架，在不侵入附近组织的前提下可以有效地延长其在肠道内的滞留时间。此外，利用纤维素作为生物递送载体，可以为相关益生菌的生存提供良好的条件，保障益生菌在肠道内的滞留和定植。与此同时，3D打印螺旋管状纤维素支架也可以作为膳食纤维调节肠道生态系统，这些效应对肠道微生物群的调节产生显著影响，并为治疗各种肠道相关疾病提供了新的可能（图1）。
图1.3D打印螺旋管状纤维素口服益生菌示意图。(A)3D打印纤维素螺旋管的制备过程及促进益生菌在肠道中的增殖和定植。(B)3D支架通过重塑微生物内稳态，促进肠道健康，调节肠道炎症。
3D纤维素衍生管支架通过3D打印技术构建独特的结构形态和表面模式，进而增强益生菌在肠道内的滞留；负载益生菌的3D螺旋状支架可以有效的维持益生菌的增殖活性，也为益生菌在肠道的定植和增殖提供良好的条件(图2)。此外，益生通过消化降解3D支架，分泌短链脂肪酸（SCFAs）以及支架降解产物调节肠道微环境，如菌群结构以及肠道免疫微环境等，进而促进肠道健康的修复。
图2.3D纤维素支架可促进益生菌的生长和定植。
有研究表明，高脂肪、低纤维的饮食会对肠道微生物群的组成和功能产生不利影响，导致某些细菌和代谢物的减少，从而促进慢性低度炎症和肥胖。随后，该团队在大鼠的高脂模型中探究了负载益生菌的3D支架（3D Sca@R.i）对肠道菌群的影响以及其在调节高脂饮食（HFD）喂养的大鼠肠道微生物群中的潜在治疗作用（图3）。相关结果表明，HFD可导致微生物种类的相对丰度失衡，如厚壁菌门和拟杆菌门，而喂食3D Sca@R.i有效的改善了HFD喂养的大鼠的微生物群平衡，证实负载益生菌的3D支架可以通过调节菌群结构改善高脂饮食导致的菌群紊乱。
图3.负载R.i的3D支架改善了肠道内HFD引起的微生物紊乱，重塑肠道微微生物结构。
鉴于3D Sca@R.i在调节肠道肥胖相关微生物组物种和组成的独特优势，该团队进一步验证了3D Sca@R.i是否可以逆转HFD诱导的大鼠肥胖。在接受不同处理后可以观察负载益生菌的3D支架可以有效的抑制大鼠体重的增长以及脂肪的产生，与此同时，相较于高脂饮食组，喂食负载益生菌的3D支架的实验组的相关指标也更趋近于正常饲料喂养的对照组，证实口服3D益生菌递送载体可以有效的改善高脂饮食导致的肥胖。此外，相关的血脂参数也进一步证实了这一观点。与此同时，肠道的炎症微环境也出现有效的改善（图4）。
负载益生菌的3D支架在治疗其他肠道相关疾病也展现出良好的治疗效果。炎症性肠病（IBD），如克罗恩病和溃疡性结肠炎，是一种以胃肠道慢性炎症为特征的疾病。在这一模型中也观察到类似的现象，负载益生菌的3D支架通过调节肠道中益生菌的数量，重塑肠炎导致的微生物群紊乱，并通过相关炎症因子的水平，实现相关疾病的改善。
图4.负载益生菌的3D纤维素支架可改善肠道免疫微环境，调节高脂饮食导致的肥胖。
综上，该研究通过3D打印技术构建了具有独特结构的益生菌递送载体，通过改善递送载体在肠道中的滞留进而增加肠道中益生菌的数量，调节肠道微生物平衡。与此同时，益生菌分泌的SCFAs以及3D支架的降解产物也可以促进肠道中其他相关益生菌菌群结构的重塑，从而调节肠道生态系统并调节炎症基因的表达，改善肠道的微环境进而实现相关疾病的改善和治疗。该工作以“3D printed spiral tube-like cellulose scaffold for oral delivery of probiotics”为题发表在《Science Advances》上。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp3654
课题组网页：https://funsom.suda.edu.cn/c3/9d/c2735a50077/page.htm
