来源：生命科学前沿
定制植物糖复合物用于肠道微生物介导的药物靶向
最近对人类肠道微生物群的功能研究揭示了特定的多蛋白系统，该系统能够分解和代谢构成膳食纤维的单个复杂聚糖。例如，木葡聚糖(XyGs)在水果和蔬菜的细胞壁中构成了一个高度分支的多糖家族，在人类饮食中含量丰富。一些结肠拟杆菌种类产生一系列特定的糖苷酶和辅助蛋白，用于XyG代谢，由多基因木葡聚糖利用位点(XyGULs)编码。人类基因组不编码XyG降解酶(或其他膳食纤维降解酶)，因此人类完全依赖于微生物群来实现这一关键的营养方面。利用菌群代谢特性来实现小分子药物在肠道中的靶向递送,可能能够成为解决长期困扰的肠道给药难题的新思路。
靶向药物递送系统治疗肠炎
在这项研究中，加拿大不列颠哥伦比亚大学Harry Brumer团队设计了一种靶向药物递送系统，称为GlycoCaging，它是基于复杂植物低聚糖的定制糖缀合物。典型抗炎药物的GlycoCaging设计能够释放由肠道细菌的特定糖苷酶触发的活性分子。在炎症性肠病小鼠模型中，GlycoCaging确保了药物疗效的增强，并消除了脱靶效应。个体人类肠道微生物群的生化和宏基因组分析证实了这一策略的广泛适用性。该方法显示了将微生物生物学与化学工程相结合以实现先进疗法的潜力。相关工作以“Bespoke plant glycoconjugates for gut microbiota–mediated drug targeting”为题发表在Science。
【文章要点】
一、利用人体肠道拟杆菌的XyG系统进行靶向给药
木糖聚糖(XyG)是人类膳食纤维的一种主要成分，广泛存在于水果和蔬菜等植物细胞壁中。某些肠道定植菌属Bacteroides能够表达专一性的糖苷酶和辅助蛋白，通过编码于XyGUL基因簇的酶系统来代谢XyG。作者利用对肠道菌群酶系专一性的了解，提出了一种名为"GlycoCaging"的新策略:将小分子药物共价偶联至XyG七糖单元，以利用肠道菌群中特异性的木糖苷酶来实现肠道靶向递送。常用于治疗胃肠道炎症的氨基水杨酸盐和糖皮质激素，因治疗指数限制而存在局限性，因此可以利用GlycoCaging策略进行改善。体外实验验证了XyG七糖与这些药物的偶联物(XXXG-Dex)能够被肠道菌群中广泛存在的几种内切木糖苷酶(BoGH5_4、BuGH5_4A和BuGH5_4B)专一性水解，释放出活性药物。总的来说，这项研究利用对人类肠道菌群代谢功能的深入认知，提出了一种新的肠道靶向给药策略，以期改善现有消化系统疾病药物的疗效。
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1 利用人体肠道拟杆菌的XyG系统进行靶向给药
二、在结肠炎模型中，XXXG-Dex治疗结肠炎症的浓度比地塞米松低3-10倍
作者在小鼠Rag1缺失模型中通过移植CD4+CD45RBhi T细胞诱导肠炎模型，并在4-9周期间进行药物治疗。作者将口服给予的地塞米松或其XyG七糖偶联物(XXXG-Dex)进行剂量依赖性比较。结果显示，即使使用最高剂量的游离地塞米松(7.6 μmol/kg)，也无法显著改善炎症指标，如结肠重量/长度比、组织学损伤以及炎症因子水平。而XXXG-Dex在2.6和0.76 μmol/kg剂量下，即可显著改善上述指标，疗效优于同等剂量的游离地塞米松。血清浓度检测表明，游离地塞米松是通过肠道菌群介导的脱离寡糖而进入循环系统的，这也解释了XXXG-Dex在较低剂量下仍能达到良好疗效的原因。总的来说，这些体内实验数据证实了"GlycoCaging"策略的可行性，能够在较低药物剂量下显著改善炎症性肠病模型的表型，为进一步开发应用提供了重要依据。
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2 在结肠炎模型中，XXXG-Dex治疗结肠炎症的浓度比地塞米松低3-10倍
三、在回肠炎症中，低浓度XXXG-Dex可以有效缓解症状
作者在SHIP缺失小鼠模拟克罗恩病肠炎的模型中验证了"GlycoCaging"策略，SHIP敲除小鼠自6周龄起即发展出肠炎，主要表现为远端回肠的免疫细胞浸润、水肿、炎症因子增高和纤维化等，这与人类克罗恩病的临床表现高度相似。在SHIP敲除小鼠中，使用游离的地塞米松需要较高剂量才能改善病理指标，如组织学损伤和IL-1β水平，而XXXG-Dex在0.76 μmol/kg剂量下即可显著改善这些指标。更低剂量的XXXG-Dex虽然在整体组织学评分上效果有限，但仍能维持肠上皮的正常结构。这些结果表明，即使在回肠这样酶浓度相对较低的肠道区域，XXXG偶联药物也能被菌群有效水解释放，从而发挥治疗作用。总之，这些体内实验数据再次证实了"GlycoCaging"策略在另一种炎症性肠病模型中的有效性，并显示其在较低剂量下即可实现良好的治疗效果。
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3 在回肠炎症中，低浓度XXXG-Dex可以有效缓解症状
四、XXXG-Dex不能减轻SHIP缺陷小鼠的肺部炎症
作者进一步探讨了"GlycoCaging"策略在SHIP缺失小鼠模型中的全身性影响:SHIP敲除小鼠除了肠炎，还表现出肺部广泛的白细胞浸润等全身性炎症反应。给予游离的地塞米松可以改善肺部病理，缓解炎症反应，而XXXG-Dex在相同或更低剂量下却无此作用。组织学检查也证实，游离地塞米松能够进入循环系统，作用于肺部，但XXXG-Dex则无此全身性影响。药代动力学分析进一步支持了这一结果，给予游离地塞米松会导致血清及胃肠道各段组织中迅速出现该药物，反映了系统性分布。而XXXG-Dex则仅能在远端肠道(盲肠和结肠)检测到该药物，直到2-4小时后，符合菌群介导的释放机制。这些结果表明，"GlycoCaging"策略可以显著降低药物的系统性暴露，从而避免全身性副作用，为改善炎症性肠病治疗提供了可靠依据。
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4 XXXG-Dex不能减轻SHIP缺陷小鼠的肺部炎症
五、人类胃肠道疾病的转化应用
作者最后将关注点转移到了人类炎症性肠病(IBD)患者群体，检测了5名健康人和23名IBD患者的粪便样本，发现所有人都存在XXXG-Dex的解偶联活性，但IBD患者群体呈现广泛的个体差异，大部分高于健康人的平均水平。作者将IBD患者按粪便卡尔普洛特蛋白指标(反映炎症程度)分层分析，发现不同炎症程度组之间的解偶联活性差异并不显著。通过对124名人群(包括健康人和IBD患者)的肠道菌群基因组分析，作者也发现编码内切木糖苷酶(Bacteroides GH5_4)的基因分布在这些人群中具有广泛性，且大多数人在1年观察期内该基因组成相对稳定。综上所述，这些直接测定活性和基因组分析的结果表明，IBD患者群体内源具有实现"GlycoCaging"策略所需的微生物和相关酶系。针对个别缺乏合适解偶联菌群的患者，可以通过微生物组测序进行识别，并采取益生菌或益生元干预的个体化治疗策略。这种结合微生物代谢特性的靶向给药技术，为IBD患者的个体化精准治疗提供了新的思路和方法。
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5 人类胃肠道疾病的转化应用
【结论与展望】
炎症性肠病（IBD）是一种主要影响下消化道（小肠和大肠）的慢性炎症性疾病。由于难以平衡治疗效果和全身毒性，治疗 IBD 仍然是一项重大的全球挑战。皮质类固醇等口服药物（例如地塞米松）通常在上消化道过早吸收，从而限制了其向下肠的输送。尽管剂量递增可能会提高疗效，但它通常会引起不可接受的全身副作用。本研究提出了一种称为“GlycoCaging”的微生物群驱动的药物递送策略，它通过在下消化道中实现精确的药物释放来应对这一挑战。数据显示，GlycoCaging降低了药物剂量及其全身摄取，并有可能改善现有和新兴的胃肠道药物。该方法显示了将微生物生物学与化学工程相结合以实现先进疗法的潜力。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk7633
来源：BioMed科技
