近年来，口服细菌疗法在治疗多种肠道及肠外疾病方面展现出巨大潜力，尤其是其定植能力强、代谢活跃等特点使其成为理想的活体治疗剂。然而，该疗法仍面临诸多挑战：口服细菌在胃酸环境中存活率低，难以在体内实时追踪其分布，且单一治疗模式往往难以应对复杂的疾病机制。虽然基因工程技术可赋予细菌成像或治疗功能，但其操作复杂、安全性存疑。物理化学修饰方法虽简便通用，但尚未实现实时监测与协同治疗的有机结合。

为此，上海交通大学刘尽尧，赵慧琳，吴冯，周燕等人合作，开发了一种通过原位顺序矿化技术在细菌表面沉积保护性可视治疗纳米涂层的方法，成功构建了集胃酸保护、实时追踪、病理感知与协同治疗于一体的“诊疗细菌”。相关研究成果以“Generating theranostic bacteria by depositing aprotective visual therapeutic nanocoating via in situsequential mineralization”为题发表在《Science Advances》期刊。

主要内容

图1. 示意图

该图概括了本研究的设计理念与应用路径。通过原位顺序矿化法，在EcN细菌表面依次沉积MnO₂/Fe₂O₃内层和CaCO₃外层，构建具有“保护-成像-治疗”三重功能的纳米涂层。口服后，外层CaCO₃在胃酸中分解并中和酸性环境，释放出内层矿物包裹的细菌；在肠道中，内层矿物不仅作为磁共振成像对比剂实现T1/T2双模态成像，还能在病灶处释放Mn²⁺离子，通过其类酶活性清除活性氧，协同细菌发挥治疗作用。

图2. 诊疗细菌的制备与表征

为实现上述构想，本研究采用两步法金属离子吸附与成核策略，依次在EcN表面形成MnO₂/Fe₂O₃内层和CaCO₃外层。TEM图像显示矿化后细菌表面粗糙度增加，EDX元素映射证实Mn、Fe、Ca均匀分布。XRD与HRTEM进一步验证了三层矿物的晶体结构。生长曲线与活性实验表明，矿化过程对细菌活性影响极小，证实该制备方法具有良好的生物相容性，为后续应用奠定了基础。

图3. CaFeMn@EcN对胃酸的抵抗能力

在模拟胃酸环境中，CaFeMn@EcN表现出显著的抗酸性能。外层CaCO₃通过双分解反应中和胃酸，显著提高细菌存活率（提升17倍），并保护内层MnO₂/Fe₂O₃结构不被破坏。EDX与ICP-OES结果显示，Ca信号在酸处理后几乎消失，而Mn与Fe信号仍保持稳定，说明CaCO₃层有效缓冲了酸性环境对细菌与成像层的损伤，确保了后续功能的实现。

图4. CaFeMn@EcN的磁共振成像性能

成功抵御胃酸后，CaFeMn@EcN在肠道中展现出优异的T1/T2双模态成像能力。在体外与体内实验中，其横向弛豫率(r₂)高达1139.77 mM⁻¹s⁻¹，纵向弛豫率(r₁)为5.34 mM⁻¹s⁻¹。在肠道炎症环境中，MnO₂分解释放Mn²⁺，进一步增强T1信号，实现对病理变化的动态监测。小鼠实验显示，口服后信号在结肠区域特定时间点增强，并能通过T1信号变化有效区分健康、感染及治疗后的状态。

图5. CaFeMn@EcN的纳米酶活性

除了成像功能，该纳米涂层还具有治疗潜力。XPS分析证实涂层中Ca²⁺、Mn⁴⁺、Fe³⁺的存在。该涂层表现出显著的SOD与CAT类酶活性，能有效清除超氧阴离子与过氧化氢。即使在胃酸处理后，CaFeMn@EcN仍能保持较高的酶活性，说明其具有良好的稳定性与抗氧化潜力，为炎症治疗提供了分子基础。

图6. CaFeMn@EcN在结肠炎治疗中的潜力

在沙门氏菌诱导的小鼠结肠炎模型中，CaFeMn@EcN的治疗潜力得到了验证。其治疗能显著恢复结肠长度、降低血清中TNF-α与IL-6水平，并改善组织病理损伤。其疗效优于未修饰EcN或其他矿化组，证实了纳米涂层通过清除ROS与细菌本身的协同抗炎作用。

图7. CaFeMn@EcN在动脉粥样硬化治疗中的价值

本研究进一步将应用拓展至肠外疾病。在apoE⁻⁄⁻小鼠动脉粥样硬化模型中，CaFeMn@EcN能显著减少主动脉斑块面积、降低血脂水平，并改善肝脏脂肪变性。组织染色显示其能增强斑块稳定性并促进胶原沉积，这表明该疗法通过调节肠-轴机制，对系统性代谢性疾病也具有显著干预效果。

全文总结

本研究成功开发了一种基于顺序矿化策略的诊疗细菌平台，通过在EcN表面构建CaCO₃/MnO₂/Fe₂O₃三层纳米涂层，实现了口服细菌的胃酸保护、实时磁共振成像与协同治疗功能。该涂层不仅显著提升了细菌在胃酸环境中的存活率，还赋予其T1/T2双模态成像与病灶响应性Mn²⁺释放能力，进一步通过其类酶活性清除活性氧，增强抗炎效果。在结肠炎与动脉粥样硬化两种小鼠模型中，CaFeMn@EcN均表现出优越的治疗效果。该研究不仅提出了“诊疗细菌”的新概念，也为开发多功能口服细菌制剂提供了可扩展的平台技术，未来有望应用于更多肠道及相关系统性疾病的治疗中。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady9183

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