DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-025-03551-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40598488
تاريخ النشر: 2025-07-01
المؤلف: Xuejun Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: صحة وتطور الرضع
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على التواصل الثنائي الاتجاه بين الأمعاء والدماغ، الذي يسهل بواسطة العصب المبهم، مما يقدم فرصًا لأساليب مبتكرة لتعديل وظائف الجهاز العصبي المركزي (CNS) من الجهاز الهضمي. تركز الدراسة على سلالة مهندسة من *Escherichia coli* Nissle 1917 (EcN) معدلة بجزيئات نانوية من Fe₃O₄ لإطلاق حمض الغاما-أمينوبيوتيريك (GABA) استجابةً للحقول المغناطيسية المتناوبة (AMF). لتعزيز التوافر البيولوجي لهذه البكتيريا المهندسة، تم تغليفها في طبقة من البوليمر النورإبينفرين (NE)، مما حسن من بقائها في ظروف المعدة القاسية.
أظهرت التجارب الحية أن الإدارة الفموية لـ EcN-GadABC@Fe-NE/AMF قللت بشكل كبير من سلوكيات القلق في الفئران المقيدة، وهو تأثير تم تقليله عندما تم تثبيط المسارات الحسية للعصب المبهم. كشفت التحليلات المناعية النسيجية عن انخفاض في تنشيط الخلايا العصبية في مناطق الدماغ الرئيسية المرتبطة باستجابة الإجهاد، مثل نواة المسار المنعزل (NTS) والموقع الأزرق (LC). بالإضافة إلى ذلك، ساهمت سلالة EcN المهندسة في الحفاظ على توازن ميكروبيوم الأمعاء، مما يدعم إمكاناتها كعامل علاجي لاضطرابات الصحة العقلية. تمهد هذه الأبحاث الطريق لتطوير استراتيجيات غير جراحية للتأثير على وظائف CNS من خلال تعديل ميكروبيوم الأمعاء.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على انتشار ونتائج اضطرابات القلق الخطيرة، التي تؤثر على أكثر من 300 مليون فرد سنويًا ويمكن أن تؤدي إلى محاولات انتحار. تؤكد الحاجة إلى علاجات فعالة، مع التركيز بشكل خاص على دور العصب المبهم والمستقبلات الحسية المعوية (GVA) في تعديل القلق. تم تحديد GVA، التي تنقل الإشارات من الأمعاء إلى الدماغ، كهدف علاجي محتمل بسبب مشاركتها في تنظيم المزاج وتعديل القلق. تناقش الورقة تأثير ميكروبيوم الأمعاء على اضطرابات القلق وتقدم أدلة على أن تحفيز العصب المبهم يمكن أن يخفف من سلوكيات القلق.
لمعالجة هذه القضايا، يقترح المؤلفون نظام بكتيريا مهندسة مدعومًا بمادة نانوية مصممة لإطلاق حمض الغاما-أمينوبيوتيريك (GABA) استجابةً لتحفيز الحقل المغناطيسي المتناوب (AMF). تم بناء هذا النظام باستخدام *Escherichia coli* Nissle 1917 (EcN) المعدلة، والتي تتضمن جزيئات نانوية من Fe₃O₄ لتحويل الإشارات الحرارية وطبقة واقية من البوليمر النورإبينفرين لتعزيز الالتصاق المعوي. يهدف نظام البكتيريا المهندسة (EcN-GadABC@Fe-NE) إلى تعديل نشاط GVA، مما يظهر تأثيرات مضادة للقلق في نموذج الفأر بينما يستعيد أيضًا اختلال ميكروبيوم الأمعاء. تشير النتائج إلى استراتيجية علاجية واعدة لاضطرابات المزاج من خلال تعديل مستهدف لمحور الأمعاء-الدماغ.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية والبيولوجية، بما في ذلك التربسين، البيبسين، أملاح الصفراء، النورإبينفرين، الكاناميسين، مرق لوريا (LB)، الأجار، وأملاح الحديد (FeCl₃·6H₂O وFeCl₂·4H₂O)، المستمدة من سيغما-ألدريتش وثيرمو فيشر ساينتيفيك. تم أيضًا استخدام مجموعة عد الخلايا-8 (CCK-8) من Apexbio، بالإضافة إلى عوامل الربط مثل 1-إيثيل-3(3-ثلاثي ميثيل أمينوبروبيل) كاربودييميد (EDC) وN-هيدروكسي سكسينيميد (NHS).
تم تحضير السائل المعدي المحاكي (SGF) والسائل المعوي المحاكي (SIF) وفقًا لإرشادات دستور الأدوية الأمريكي. تم إنشاء SGF عن طريق إذابة 2.0 غرام من NaCl و3.2 غرام من البيبسين في 1 لتر من الماء منزوع الأيونات، مع ضبط الرقم الهيدروجيني إلى 1.5 باستخدام حمض الهيدروكلوريك (HCl) وتم تصفيته لاحقًا من خلال غشاء بقطر 0.22 ميكرون. بالمثل، تم تحضير SIF عن طريق إذابة 6.8 غرام من فوسفات البوتاسيوم ثنائي الهيدروجين (KH₂PO₄) و10 غرام من التربسين في 1 لتر من الماء منزوع الأيونات، وضبط الرقم الهيدروجيني إلى 6.8 باستخدام هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، وتصفيته من خلال غشاء بقطر 0.22 ميكرون قبل الاستخدام.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من الورقة البحثية النتائج المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يؤكد الفرضيات.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسينات في مقاييس الأداء، مثل الدقة والكفاءة، مقارنةً بالأساليب الحالية. توضح التمثيلات الرسومية، بما في ذلك الرسوم البيانية والجداول، هذه التحسينات بشكل كمي، مما يوفر ملخصًا بصريًا واضحًا للنتائج المقارنة. بشكل عام، تدعم النتائج فعالية النموذج المقترح في معالجة الأسئلة البحثية المطروحة.
المناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون نظام بروبيوتيك مهندس جديد، EcN-GadABC@Fe-NE، باستخدام *Escherichia coli* Nissle 1917 (EcN) لإطلاق حمض الغاما-أمينوبيوتيريك (GABA) استجابةً لتحفيز الحقل المغناطيسي المتناوب (AMF). تم تصميم البكتيريا المهندسة للتعبير عن جينات تخليق GABA تحت التحكم الحراري، مما يسمح بالإفراج المستهدف عند التعرض لـ AMF. سهلت إضافة جزيئات أكسيد الحديد (Fe₃O₄) هذه الاستجابة الحرارية، بينما عززت طبقة البوليمر النورإبينفرين (poly-NE) مقاومة البكتيريا لظروف الجهاز الهضمي (GI) وحسنت الالتصاق المخاطي. أظهرت النتائج أن نظام EcN-GadABC@Fe-NE خفف بشكل كبير من سلوكيات القلق في الفئران، كما يتضح من الاختبارات السلوكية مثل اختبار الحقل المفتوح، ومتاهة الزاوية المرتفعة، واختبارات الصندوق المضيء-المظلم.
علاوة على ذلك، سلطت الدراسة الضوء على دور المستقبلات الحسية المعوية في التوسط في التأثيرات المضادة للقلق للبروبيوتيك المهندسة. أظهرت التلاعب الكيميائي الجيني لهذه المسارات أن التأثيرات المضادة للقلق كانت تعتمد جزئيًا على إشارات GABA من خلال الخلايا العصبية الحسية المبهمة. بالإضافة إلى ذلك، أثرت البروبيوتيك المهندسة بشكل إيجابي على تركيب ميكروبيوم الأمعاء، مستعادة التنوع ومغيرة وفرة أنواع بكتيرية معينة. تشير هذه النتائج إلى أن نظام البروبيوتيك المهندسة لا يعمل فقط كعامل علاجي للقلق ولكن أيضًا يساهم في الحفاظ على توازن ميكروبيوم الأمعاء، مما يبرز إمكانات البروبيوتيك المعدلة وراثيًا في تعديل محور الأمعاء-الدماغ لأغراض علاجية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-025-03551-3
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40598488
Publication Date: 2025-07-01
Author(s): Xuejun Wang et al.
Primary Topic: Infant Health and Development
Overview
The research highlights the bidirectional communication between the gut and the brain, facilitated by the vagal nerve, which presents opportunities for innovative approaches to modulate central nervous system (CNS) functions from the gastrointestinal tract. The study focuses on an engineered strain of *Escherichia coli* Nissle 1917 (EcN) modified with Fe₃O₄ nanoparticles to release gamma-aminobutyric acid (GABA) in response to alternating magnetic fields (AMF). To enhance the bioavailability of this engineered bacterium, it was encapsulated in a poly-norepinephrine (NE) layer, which improved its survival in harsh gastric conditions.
In vivo experiments demonstrated that the oral administration of the EcN-GadABC@Fe-NE/AMF significantly reduced anxiety-like behaviors in restraint mice, an effect that was diminished when vagal sensory pathways were inhibited. Immunohistochemical analysis revealed decreased neuronal activation in key brain regions associated with stress response, such as the nucleus of the solitary tract (NTS) and locus coeruleus (LC). Additionally, the engineered EcN strain contributed to maintaining gut microbiota homeostasis, further supporting its potential as a therapeutic agent for mental health disorders. This research paves the way for developing non-invasive strategies to influence CNS functions through gut microbiota modulation.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the prevalence and serious implications of anxiety disorders, which affect over 300 million individuals annually and can lead to suicide attempts. It emphasizes the need for effective treatments, particularly focusing on the role of the vagus nerve and gastrointestinal vagal afferents (GVA) in modulating anxiety. The GVA, which transmit signals from the gut to the brain, are identified as a potential therapeutic target due to their involvement in mood regulation and anxiety modulation. The paper discusses the influence of gut microbiota on anxiety disorders and presents evidence that vagus nerve stimulation can alleviate anxiety-like behaviors.
To address these issues, the authors propose a novel nanomaterial-assisted engineered bacteria system designed to release gamma-aminobutyric acid (GABA) in response to alternating magnetic field (AMF) stimulation. This system, constructed using modified *Escherichia coli* Nissle 1917 (EcN), incorporates Fe₃O₄ nanoparticles for thermal signal conversion and a protective poly-norepinephrine layer to enhance intestinal adhesion. The engineered bacteria system (EcN-GadABC@Fe-NE) aims to modulate GVA activity, demonstrating anxiolytic effects in a mouse model while also restoring gut microbiota dysbiosis. The findings suggest a promising therapeutic strategy for mood disorders through targeted modulation of the gut-brain axis.
Methods
In this study, a variety of chemicals and biological materials were utilized, including trypsin, pepsin, bile salts, norepinephrine, kanamycin, Luria Broth (LB), agar, and iron salts (FeCl₃·6H₂O and FeCl₂·4H₂O), sourced from Sigma-Aldrich and Thermo Fisher Scientific. The Cell Count Kit-8 (CCK-8) from Apexbio, along with coupling agents such as 1-Ethyl-3(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) and N-hydroxysuccinimide (NHS), were also employed.
Simulated gastric fluid (SGF) and simulated intestinal fluid (SIF) were prepared according to the United States Pharmacopoeia guidelines. SGF was created by dissolving 2.0 g of NaCl and 3.2 g of pepsin in 1 L of deionized water, with the pH adjusted to 1.5 using hydrochloric acid (HCl) and subsequently filtered through a 0.22-µm membrane. Similarly, SIF was prepared by dissolving 6.8 g of potassium dihydrogen phosphate (KH₂PO₄) and 10 g of trypsin in 1 L of deionized water, adjusting the pH to 6.8 with sodium hydroxide (NaOH), and filtering through a 0.22-µm membrane prior to use.
Results
The “Results” section of the research paper presents the findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, thereby confirming the hypotheses.
Additionally, the results demonstrate that the application of the proposed methodology yields improvements in performance metrics, such as accuracy and efficiency, compared to existing approaches. Graphical representations, including plots and tables, illustrate these enhancements quantitatively, providing a clear visual summary of the comparative results. Overall, the findings substantiate the effectiveness of the proposed model in addressing the research questions posed.
Discussion
In this study, the authors developed a novel engineered probiotic system, EcN-GadABC@Fe-NE, utilizing Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) to release gamma-aminobutyric acid (GABA) in response to alternating magnetic field (AMF) stimulation. The engineered bacteria were designed to express GABA synthesis genes under temperature control, allowing for targeted release upon exposure to AMF. The incorporation of iron oxide nanoparticles (Fe₃O₄) facilitated this thermal response, while a poly-norepinephrine (poly-NE) coating enhanced the bacteria’s resistance to gastrointestinal (GI) conditions and improved mucosal adhesion. The results demonstrated that the EcN-GadABC@Fe-NE system significantly alleviated anxiety-like behaviors in mice, as evidenced by behavioral tests such as the open field test, elevated plus maze, and light-dark box assays.
Furthermore, the study highlighted the role of gastrointestinal vagal afferents in mediating the anxiolytic effects of the engineered probiotics. Chemogenetic manipulation of these pathways indicated that the anxiolytic effects were partially dependent on GABA signaling through vagal sensory neurons. Additionally, the engineered probiotics positively influenced gut microbiota composition, restoring diversity and altering the abundance of specific bacterial genera. These findings suggest that the engineered probiotic system not only serves as a therapeutic agent for anxiety but also contributes to the maintenance of gut microbiota homeostasis, emphasizing the potential of genetically modified probiotics in modulating the gut-brain axis for therapeutic purposes.