DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48128-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38710716
تاريخ النشر: 2024-05-06
المؤلف: Mairead K. Heavey وآخرون
الموضوع الرئيسي: البروبيوتيك والأطعمة المخمرة
نظرة عامة
تناقش هذه الفقرة تطوير العلاجات القائمة على الميكروبات الهندسية والبروبيوتيك كنهج جديد لعلاج الحالات المزمنة والالتهابية، وخاصة أمراض الأمعاء الالتهابية (IBD) مثل مرض كرون والتهاب القولون التقرحي. قام الباحثون بتصميم خميرة بروبيوتيك مستهدفة، *Saccharomyces boulardii*، للارتباط ببروتينات المصفوفة خارج الخلوية في الآفات الالتهابية للجهاز الهضمي باستخدام عرض سطح الأجسام المضادة القابل للتعديل. أدى هذا التعديل إلى زيادة كبيرة في وقت بقاء البروبيوتيك في الأمعاء (24-48 ساعة أطول من الضوابط) وزيادة بمقدار 100 ضعف في تركيزات البروبيوتيك داخل القولون في النماذج قبل السريرية. ونتيجة لذلك، أظهرت المعلمات الديناميكية الدوائية الرئيسية، بما في ذلك طول القولون، وملفات التعبير عن السيتوكينات، ودرجات الالتهاب النسجي، تحسنًا كبيرًا، عائدًا إلى مستويات صحية.
تؤكد النتائج على إمكانيات العلاجات الميكروبية المستهدفة كخيار علاجي فموي لأمراض الأمعاء الالتهابية، مع معالجة القيود التي تواجه العلاجات الحالية التي غالبًا ما تتضمن آثار جانبية جهازية وطرق إدارة تدخلية. كما أن الموافقة الأخيرة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على أول علاج قائم على الميكروبيوم تؤكد على الأهمية السريرية لهذه الاستراتيجية، مع تسليط الضوء أيضًا على التحديات المرتبطة بتشكيل وتوصيل الميكروبات العلاجية. نظرًا لأن أمراض الأمعاء الالتهابية تؤثر على عدد كبير من السكان في الولايات المتحدة، فإن تطوير البروبيوتيك الهندسية يمكن أن يمثل تقدمًا تحويليًا في إدارة هذه الحالات المزمنة.
طرق البحث
استخدم البحث دراسات حيوانية تم إجراؤها وفقًا للإرشادات التي وضعتها لجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية (IACUC) في جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل. تضمن هذا الموافقة أن الطرق تتماشى مع المعايير الأخلاقية لعلاج واستخدام الحيوانات في البحث، مما يضمن سلامة التصميم التجريبي والنتائج. من المتوقع أن تتماشى المنهجيات المحددة المستخدمة في هذه الدراسات، رغم عدم تفصيلها في هذا القسم، مع البروتوكولات المعتمدة لضمان نتائج موثوقة وقابلة للتكرار.
النتائج
في هذه الدراسة، قام الباحثون بتصميم *Saccharomyces boulardii* (S.b.) لتعزيز استهدافه لبروتينات المصفوفة خارج الخلوية (ECM) المرتبطة بالتهاب القولون التقرحي والآفات الالتهابية. من خلال تعديل S.b. وراثيًا لعرض ستربتافيدين أحادي (mSA) على سطحه، أنشأوا سلالة تُسمى S.b. mSA. يسمح هذا التعديل بالارتباط عالي الألفة بالأجسام المضادة البيوتينية، مع ثابت تفكك ($K_D$) يتراوح من 1.11 إلى 1.47 نانومتر، مما يظهر قدرة السلالة على الارتباط الانتقائي ببروتينات ECM مثل الفيبرو نكتين، الفيبينوجين، والكولاجين IV، التي يتم تنظيمها بشكل زائد في التهاب القولون التقرحي.
كشفت اختبارات الارتباط أن S.b. mSA أظهر ارتباطًا يعتمد على التركيز مع بروتينات ECM، متفوقًا بشكل كبير على السلالة غير المعدلة. علاوة على ذلك، استكشفت الدراسة ديناميات الاحتفاظ بالأجسام المضادة البيوتينية على سطح S.b. mSA على مدار 48 ساعة في سائل معوي محاكي. بينما زاد نمو S.b. mSA بشكل أسي، انخفضت كمية الأجسام المضادة المرتبطة، مما يشير إلى أنه مع تكاثر الخلايا، تقل كثافة الأجسام المضادة لكل خلية. على الرغم من ذلك، حافظت S.b. mSA على قدرة ارتباط كبيرة مع الفيبرو نكتين، مما يشير إلى إمكانية الاحتفاظ بالبروبيوتيك لفترة طويلة في الجهاز الهضمي الملتهب، مما قد يعزز الفعالية العلاجية في علاج أمراض الأمعاء الالتهابية.
المناقشة
تسلط فقرة المناقشة في ورقة البحث الضوء على النجاح في الهندسة الوراثية لـ *Saccharomyces boulardii* (S.b.) لتعزيز فعاليته البروبيوتيك مع الحفاظ على خصائصه المفيدة. تظهر الدراسة أن السلالات المهندسة من S.b. يمكن أن تعيش في ظروف الجهاز الهضمي القاسية، وتعدل بشكل فعال استجابة المناعة لدى المضيف، وتحفز إنتاج الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة (SCFAs)، المعروفة بآثارها المضادة للالتهابات. من الجدير بالذكر أن كل من السلالات البرية والمهندسة أظهرت قابلية بقاء مماثلة تحت التحديات الفسيولوجية، متفوقة على السلالة غير البروبيوتيك *Saccharomyces cerevisiae* (S.c.). علاوة على ذلك، لم تؤثر التعديلات الوراثية بشكل كبير على مستويات إفراز SCFAs أو القدرة على تحفيز إنتاج IL-10، وهو سيتوكين مضاد للالتهابات مهم.
تستكشف الدراسة أيضًا الديناميات الدوائية والدوائية لـ S.b. المستهدفة لـ ECM في نماذج الفئران من التهاب القولون. أدى استهداف S.b. لبروتينات المصفوفة خارج الخلوية، مثل الفيبرو نكتين والكولاجين IV، إلى تحسين كبير في وقت بقاء الأمعاء والفعالية العلاجية. أظهرت الفئران المعالجة بـ S.b. المستهدفة لـ ECM تعافيًا معززًا من الالتهاب، كما يتضح من زيادة طول القولون وانخفاض مستويات السيتوكينات الالتهابية. تشير النتائج إلى أن S.b. المهندسة يمكن إدارتها بشكل أقل تكرارًا مع تحقيق فوائد علاجية، مما يمهد الطريق لخطط علاجية أكثر ملاءمة للمرضى لأمراض الأمعاء الالتهابية. بشكل عام، تؤكد هذه الدراسة على إمكانيات هندسة البروبيوتيك لتحسين تطبيقاتها العلاجية في الاضطرابات الهضمية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48128-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38710716
Publication Date: 2024-05-06
Author(s): Mairead K. Heavey et al.
Primary Topic: Probiotics and Fermented Foods
Overview
The section discusses the development of probiotic and engineered microbe-based therapeutics as a novel approach for treating chronic and inflammatory conditions, particularly inflammatory bowel diseases (IBD) such as Crohn’s disease and ulcerative colitis. The researchers engineered a targeted probiotic yeast, Saccharomyces boulardii, to bind to extracellular matrix proteins in inflammatory lesions of the gastrointestinal tract using tunable antibody surface display. This modification resulted in a significant increase in the probiotic’s residence time in the gut (24-48 hours longer than controls) and a 100-fold increase in probiotic concentrations within the colon in preclinical models. Consequently, key pharmacodynamic parameters, including colon length, cytokine expression profiles, and histological inflammation scores, showed substantial improvement, returning to healthy levels.
The findings underscore the potential of targeted microbial therapeutics as an oral treatment option for IBD, addressing the limitations of existing therapies that often involve systemic side effects and invasive administration methods. The recent FDA approval of the first microbiome-based therapy further emphasizes the clinical relevance of this strategy, while also highlighting the challenges associated with the formulation and delivery of therapeutic microbes. As IBD affects a significant population in the U.S., the development of engineered probiotics could represent a transformative advancement in managing these chronic conditions.
Methods
The research employed animal studies that were conducted in compliance with the guidelines set forth by the Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) at The University of North Carolina at Chapel Hill. This approval ensures that the methods adhered to ethical standards for the treatment and use of animals in research, thereby validating the integrity of the experimental design and findings. The specific methodologies utilized in these studies, while not detailed in this section, are expected to align with established protocols to ensure reliable and reproducible results.
Results
In this study, the researchers engineered *Saccharomyces boulardii* (S.b.) to enhance its targeting to the extracellular matrix (ECM) proteins associated with ulcerative colitis and inflammatory lesions. By genetically modifying S.b. to display monomeric streptavidin (mSA) on its surface, they created a strain termed S.b. mSA. This modification allows for high-affinity binding to biotinylated antibodies, with a dissociation constant ($K_D$) ranging from 1.11 to 1.47 nM, demonstrating the strain’s ability to selectively bind to ECM proteins such as fibronectin, fibrinogen, and collagen IV, which are upregulated in ulcerative colitis.
The binding assays revealed that S.b. mSA exhibited concentration-dependent binding to the ECM proteins, significantly outperforming the unmodified strain. Furthermore, the study explored the retention dynamics of biotinylated antibodies on the S.b. mSA surface over 48 hours in simulated intestinal fluid. While the growth of S.b. mSA increased exponentially, the amount of bound antibody decreased, indicating that as the cells proliferate, the density of antibodies per cell diminishes. Despite this, S.b. mSA maintained a substantial binding capability to fibronectin, suggesting potential for prolonged probiotic retention in the inflamed gastrointestinal tract, which could enhance therapeutic efficacy in treating inflammatory bowel diseases.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the successful genetic engineering of *Saccharomyces boulardii* (S.b.) to enhance its probiotic efficacy while maintaining its beneficial properties. The study demonstrates that engineered strains of S.b. can survive harsh gastrointestinal conditions, effectively modulate the host immune response, and stimulate the production of short-chain fatty acids (SCFAs), which are known to have anti-inflammatory effects. Notably, both wild-type and engineered strains exhibited comparable viability under physiological challenges, outperforming the non-probiotic strain *Saccharomyces cerevisiae* (S.c.). Furthermore, genetic modifications did not significantly alter the secretion levels of SCFAs or the ability to induce IL-10 production, an important anti-inflammatory cytokine.
The research also explores the pharmacokinetics and pharmacodynamics of ECM-targeted S.b. in murine models of colitis. Targeting S.b. to extracellular matrix proteins, such as fibronectin and collagen IV, resulted in significantly improved gut residence time and therapeutic efficacy. Mice treated with ECM-targeted S.b. showed enhanced recovery from inflammation, as evidenced by increased colon length and reduced inflammatory cytokine levels. The findings suggest that the engineered S.b. can be administered less frequently while still achieving therapeutic benefits, paving the way for more patient-friendly treatment regimens for inflammatory bowel diseases. Overall, this study underscores the potential of engineering probiotics to optimize their therapeutic applications in gastrointestinal disorders.