口服抗生素（Abx）是治療細菌感染最常見、最有效的醫學手段，但是在治療過程中會嚴重破壞腸道菌群穩態，造成慢性疾病。此外，過度使用抗生素也會導致耐藥細菌、耐藥基因的積累，因此，通過減少抗生素對腸道菌群的副作用來優化抗生素的使用至關重要。

2022年7月，中國科學技術大學朱書教授與王育才教授團隊在Nature Biomedical Engineering 上發表了題為“Glucosylated nanoparticles for the oral delivery of antibiotics to the proximal small intestine protect mice from gut dysbiosis”的文章。該文開發了一種新型口服抗生素遞送載體-糖基化修飾的陽離子納米顆粒(PGNPs)，結合測序、膽汁酸靶向代謝組、分子實驗等技術證實了口服PGNPs包裹的抗生素可顯著降低對小鼠腸道微生物群的不利影響，降低抗生素相關菌群失調的疾病風險和抗生素耐藥基因在菌群中的積累，該研究具有重要的臨床轉化潛力。中科新生命參與了該研究中膽汁酸靶向代謝組的相關工作。

研究材料

小鼠、四種納米顆粒

技術路線

步驟1：鈉依賴性葡萄糖轉運體1和葡萄糖轉運體2在小腸中高表達，但在結腸中不表達；

步驟2：葡萄糖基化納米載體在近端小腸特異性吸收；

步驟3：PGNPs可減少腸道殘留并增強血液循環；

步驟4：PGNPs-Abx能有效消除肺部肺炎鏈球菌感染;

步驟5：PGNPs遞送可防止抗生素引起的生物失調；

步驟6：SGLT1抑制劑可以消除PGNPs-Abx的保護作用；

步驟7：PGNPs遞送抗生素可改善與肥胖相關的生物失調；

步驟8：PGNPs遞送抗生素可減少與失調相關的Citrobacter rodentium感染;

步驟9：PGNPs遞送抗生素可降低腸道微生物群中的抗生素耐藥基因。

研究結果

1. 鈉依賴性葡萄糖轉運體1 (SGLT1)和葡萄糖轉運體2（GLUT2）在小腸中高表達，但在結腸中不表達

腸上皮細胞頂端的葡萄糖攝取是由葡萄糖轉運體介導的，通過RNA測序發現SGLT1在小腸中的表達量比在結腸中的表達量高19倍，此外，GLUT2、GLUT5和GLUT7在小腸中的表達水平高于結腸，作者也驗證了人樣本SGLT1在小腸中高表達，但在結腸中不表達。因此，作者提出SGLT1和GLUT2在小腸中的高分布可能使葡萄糖轉運體介導的納米顆粒在近端小腸中的靶向作用成為可能。

2. 葡萄糖基化納米載體在近端小腸特異性吸收

基于上述發現，作者設計了通過利用葡萄糖-葡萄糖轉運體結合能力靶向近端小腸的納米載體。共設計并制備了四種納米顆粒：NPs（納米顆粒）、GNPs（葡萄糖基化納米顆粒）、PNPs（陽性納米顆粒）和PGNPs，將熒光染料包裹在內以便于觀察納米顆粒在體內的分布。結果發現與其他類型納米顆粒相比，PGNPs在小腸中的信號強度較高，在大腸中的信號強度較低。腸上皮細胞對PGNPs的攝取高于其他NPs。此外，PGNPs與SGLT1共定位于近端小腸上皮細胞，且熒光信號強度與SGLT1表達呈正相關?？傊{米顆粒的糖基化功能化通過葡萄糖轉運體SGLT1促進其在近端小腸的吸收（圖1）。

圖1 糖基化納米載體在近端小腸特異性吸收

3. PGNPs可減少腸道殘留并增強血液循環

與其他納米顆粒相比，PGNPs處理小鼠后其在糞便和盲腸內容物中殘留更少，且血液中濃度更高。作者進一步研究了PGNPs作為載體是否可以增加抗生素的生物利用度和血液循環，使用模型抗生素氨芐西林(Amp)研究發現處理4小時后，PGNPs-Amp組的Amp血清濃度比游離Amp高20.9倍，且PGNPs-Amp組在前4小時內的生物利用度比其他組高2.4-4.8倍。游離Amp處理小鼠盲腸和糞便中Amp殘留量分別達到46.4和303.5 μg g-1，而PGNPs -Amp處理小鼠盲腸和糞便中Amp殘留量分別為0.05和0.69 μg g-1。表明納米顆粒的糖基化功能減少了其糞便/盲腸內容物殘留，并促進了在血液中的吸收（圖2）。

圖2 PGNPs能減少腸道殘留，促進血液循環

4. PGNPs-Abx能有效消除肺部肺炎鏈球菌感染

為了測試納米載體傳遞系統是否會影響抗生素的抗菌功效，作者在肺炎鏈球菌介導的肺部感染小鼠模型中，評估了不同配方的Amp負載納米顆粒與游離Amp的抗菌功效。結果發現與使用游離Amp和其他負載Amp的納米顆粒處理的小鼠相比，PGNPs-Amp或GNPs-Amp組小鼠的炎癥顯著降低，組織損傷減弱。此外PGNPs-Amp對肺部細菌的清除效率明顯更高，與5倍劑量的游離Amp抗菌功效相當。表明基于糖基化納米載體途徑的抗生素遞送在治療系統性感染方面優于游離抗生素（圖3）。

圖3 PGNPs-Abx能有效消除肺部肺炎鏈球菌感染

5. PGNPs遞送可防止抗生素引起的生物失調

作者在多個時間點測試了氨芐西林和萬古霉素與相同劑量的各種抗生素負載納米顆粒對腸道菌群的影響。結果發現游離Abx處理導致糞便α-多樣性大幅減少，糞便微生物群落結構普遍破壞。與游離Abx或其他NPs-Abx處理相比，PGNPs-Abx和GNPs-Abx處理對腸道微生物群的干擾較低，且糞便微生物群豐富度和群落結構的恢復更快。此外PGNPs-Abx處理組近端和遠端小腸內容物中觀察到的物種數量和微生物群落組成幾乎沒有變化，而游離Abx處理組的微生物數量明顯減少，干擾較大。結果表明糖基化納米顆粒的遞送在很大程度上可以防止抗生素引起的微生物群改變，包括細菌豐富度、多樣性和組成的變化，且PGNPs遞送還可以防止抗生素引起的小腸失調（圖4）。

圖4 PGNPs遞送可防止抗生素誘導的生物失調

6. SGLT1抑制劑可以消除PGNPs-Abx的保護作用

為了驗證PGNPs對抗生素誘導的生物失衡的保護作用是否依賴于SGLT1，作者使用SGLT1抑制劑根皮苷(iSGLT1)來研究PGNPs- Abx對腸道微生物群的影響。與未使用抑制劑的PGNPs-Abx組相比，與抑制劑聯合施用的PGNPs-Abx組中的微生物多樣性顯著減少，微生物組成也有較大的干擾，且恢復緩慢。而在PNPs-Abx和與iSGLT1聯合PNPs-Abx處理的小鼠則表現出較大的干擾和緩慢的恢復。表明由于SGLT1轉運體在近端小腸中靶向吸收納米顆粒，PGNPs遞送可保護小鼠免受抗生素誘導的微生物群干擾（圖5）。

圖5 SGLT1抑制劑可消除PGNPs-Abx的保護作用

7. PGNPs遞送抗生素可改善與肥胖相關的生物失調

作者采用高脂飲食（HFD）誘導的肥胖小鼠模型研究負載抗生素的納米顆粒對抗生素相關代謝綜合征的潛在影響。與游離Abx組或其他NPs-Abx組相比，PGNPs-Abx組中HFD誘導的體重和脂肪質量的積累及肝脂肪變性較輕，且微生物群影響較低。作者進一步從機理上研究PGNPs是如何保護小鼠免受抗生素誘導的代謝綜合征，發現游離Abx顯著改變膽汁酸水平，而PGNPs遞送抗生素則不會引起膽汁酸水平的系統性改變。接著通過糞便微生物群移植(FMT)實驗發現與接受PGNPs-Abx處理小鼠腸道菌群的小鼠相比，接受游離Abx處理小鼠腸道菌群的小鼠體重增加更多，葡萄糖耐受性和肝臟總膽固醇更高，肝臟脂肪變性更嚴重。表明PGNPs遞送抗生素可緩解與代謝異常相關的生態失調（圖6，7）。

圖6 PGNP介導的抗生素遞送可改善與肥胖相關的生物失調

圖7 糞便膽汁酸檢測

8. PGNPs遞送抗生素可減少與失調相關的Citrobacter rodentium感染

抗生素誘導的生物失調引起的另一個重要副作用是對致病性腸道感染的易感性增加。作者評估了使用游離Abx和不同負載Abx的納米顆粒處理對C. rodentium腸道感染嚴重程度的潛在差異影響。結果發現與未使用抗生素處理的對照組小鼠相比，用抗生素處理5 d的小鼠對C. rodentium感染的敏感性增加，而經PGNPs-Abx預處理的小鼠則沒有差異。接著作者進一步研究了SGLT1抑制劑對C. rodentium感染的影響，結果表明糖基化納米載體遞送抗生素可以降低對致病性感染的易感性，避免微生物群的失調（圖8）。

圖8 PGNPs遞送抗生素可減少與失調相關的Citrobacter rodentium感染

9. PGNPs遞送抗生素可降低腸道微生物群中的抗生素耐藥基因

作者對PGNPs-Amp/游離Amp處理的小鼠糞便樣本進行宏基因組測序分析發現PGNPs的遞送可全面防止抗生素誘導的抗生素耐藥基因積累。此外與PGNPs-Amp處理組相比，游離Amp處理組糞便樣本中促進氨芐青霉素耐藥性基因的拷貝數顯著增加，產生更多氨芐西林耐藥菌落等，表明PGNPs遞送策略減少了腸道菌群對抗生素的暴露，并減弱了已知抗生素耐藥基因的誘導（圖9）。

圖9 PGNP介導的抗生素遞送減少了腸道微生物群中的抗生素抗性基因

小編小結

作者利用葡萄糖轉運體SGLT1在小腸特異性高表達的特點，設計了糖基化修飾的陽離子納米載體，并證實了糖基化的納米載體對氨芐西林、氯霉素和萬古霉素的遞送有效。PGNP系統減少了對微生物群的干擾，口服PGNPs-Abx可提高抗生素的生物利用度，并減少了由失調引起的不良反應。