上海交大刘尽尧团队《Acc. Chem. Res.》综述：多巴胺聚合介导的细菌表面功能化
近日，上海交通大学分子医学研究院刘尽尧研究员团队在Accounts of Chemical Research发表了题为“Dopamine Polymerization-Mediated Surface Functionalization toward Advanced Bacterial Therapeutics”的综述论文，主要总结了该课题组关于多巴胺聚合介导的细菌表面修饰与功能化及其在生物医学领域应用的最新进展。
贻贝可以通过分泌黏附蛋白附着在不同类型的表面上，这些黏附蛋白含有大量的3,4-二羟基-L-苯丙氨酸和赖氨酸。受贻贝这一特性的启发，含有儿茶酚和氨基的多巴胺被开发用作小分子前体，通过聚合以实现类似的黏附性能。自2007年Messersmith团队在Science杂志开创性地报道了聚多巴胺对多种材料的黏附特性后，聚多巴胺涂层作为一种仿生方法，被广泛用于无机和有机材料的表面功能化修饰。由于细菌的表面组分，如脂多糖、次卵酸和蛋白质等，含有大量的胺、硫醇和羟基，多巴胺可以通过氢键、π-π堆叠、迈克尔加成和希夫碱反应等将各种功能性小分子和大分子灵活地沉积到细菌表面。
在该综述论文中，刘尽尧课题组详细总结了在细胞相容条件下通过原位多巴胺聚合对细菌表面进行修饰的优化策略。首先，通过简单的原位多巴胺聚合反应，该课题组为细菌穿上一层聚多巴胺涂层外衣，建立了对细菌进行单模态表面修饰的策略。接着，这种策略可以通过进一步修饰单一或多种功能元件而升级为细菌的双模态或多模态表面修饰。该团队建立了多种方法，包括“两步法”、“一锅法”以及“一锅两步法”将功能元件修饰在细菌表面。“两步法”是指先形成聚多巴胺涂层，然后通过沉积含有胺和硫醇基团的生物分子进行进一步修饰，形成功能化涂层。“一锅法”是将多巴胺和生物分子通过一步反应共同沉积在细菌表面。而“一锅两步法”则是将这两种方法灵活地依次结合起来，以实现多种功能元件的组合修饰。
接下来，该课题组充分阐述了表面修饰对细菌功能的调节作用。聚多巴胺涂层外衣不仅能大大提高生物利用度，赋予细菌抵抗体内不良环境的能力，还能增强细菌对过度激活免疫反应的抑制能力。与特定配体或治疗组分的整合使修饰后的细菌在病变部位增加靶向积累和定植，或在疾病治疗中发挥协同作用。与蛋白抗原、抗体或免疫佐剂等免疫活性成分共同沉积能够促进修饰后的细菌与宿主相互作用，激发保护性的先天或适应性免疫应答。
其次，该论文强调了多巴胺聚合介导的表面修饰作为一种高效、通用的方法，可以个性化订制细菌的功能，以满足疾病治疗的多样化需求。并重点介绍了表面修饰细菌作为多功能活体细菌药物在疾病治疗中的应用，主要包括通过口服给药治疗炎症性肠病，以及通过系统给药或肿瘤内注射干预多种类型的肿瘤。
最后，讨论了多巴胺聚合介导的多功能化在制备有效的活体细菌药物及其临床转化所面临的挑战。主要包括如何高效修饰不耐氧气的肠道共生厌氧细菌；如何在标准化过程中将给药剂量与有效量联系起来；开发能够响应体内不同病理微环境的多巴胺功能涂层；进一步明确不同疾病的发病机制和细菌在这些疾病中的作用，以准确确定最适合表面修饰的功能分子。
总的来说，利用聚合介导的表面功能化操纵细菌生物功能的新兴领域依赖于对化学、材料科学和微生物学的全面理解。这篇综述为细菌功能化改造提供了一个独特视角，希望能吸引研究人员的广泛兴趣，并促进下一代细菌疗法的发展和应用。
上海交通大学分子医学研究院王露副研究员为该论文第一作者，刘尽尧研究员为通讯作者。该工作得到了科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金、上海市探索者计划、上海市高水平地方高校创新研究团队项目等支持。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.accounts.3c00798
