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腸道菌群竟是藥物遞送的“隱形殺手”？

在醫學實踐中，眾多治療藥物面臨著嚴峻的藥代動力學挑戰，包括體內穩定性差、靶向效率低、難以跨越生物屏障以及嚴重的全身毒性等問題。體內遞送系統作為解決這些難題的關鍵技術，已被廣泛應用于全球制藥工業。然而，盡管以脂質納米顆粒、聚合物納米粒和病毒載體為代表的遞送系統在化療、mRNA療法及基因編輯等領域展現出巨大潛力，其臨床效果卻遠未達到預期。根本原因在于，這些遞送系統在進入體內后，大部分會被肝臟中的枯否細胞快速清除，導致能夠成功抵達病灶的劑量不足5%，嚴重限制了其治療效果。如何有效規避肝臟的單核-吞噬細胞系統捕獲，成為提升體內遞送系統效率的核心難題。

近日，中國科學技術大學生命科學與醫學部王育才/朱書/蔣為課題組揭示了一條關鍵的“腸-肝免疫軸”，發現腸道菌群通過調控宿主血清素的產生，遠程激活肝臟枯否細胞的吞噬功能，從而顯著影響各類遞送系統的體內命運。研究表明，通過短暫抑制血清素信號通路，無論是通過藥物阻斷受體還是飲食限制色氨酸攝入，均可大幅降低肝臟對遞送系統的清除，將化療、溶瘤病毒療法的療效提升三倍以上，并將體細胞基因編輯和mRNA療法的效率提高5至15倍，為提升現有療法的臨床效果開辟了新路徑。相關論文以“Commensal-driven serotonin production modulates in vivo delivery of synthetic and viral vectors”為題，發表在Science上。

為了探究腸道微生物對體內遞送系統的影響，研究人員首先在小鼠模型中進行了系列實驗。結果顯示，通過廣譜抗生素清除腸道菌群后，多種化療藥物遞送系統的抗腫瘤效果顯著增強。在使用臨床獲批的脂質體多柔比星治療結腸腺癌時，清除菌群的小鼠中有25%在150天后仍無瘤生存，其腫瘤部位的藥物累積量約為正常小鼠的兩倍。類似的效果在脂質體米托蒽醌治療乳腺癌、白蛋白結合型紫杉醇以及聚合物納米粒遞送系統中均得到驗證，表明腸道菌群普遍削弱了合成遞送系統的腫瘤靶向效率。這種抑制作用同樣存在于病毒載體類遞送系統中。在黑色素瘤模型中，靜脈注射溶瘤腺病毒對正常小鼠僅產生約28%的腫瘤抑制，而在菌群清除的小鼠中，腫瘤消退率高達76%，腫瘤內病毒載量增加了至少三倍。

圖1. 腸道微生物損害遞送系統介導的藥物遞送與基因遞送。 （B和C）腫瘤生長軌跡（B）和生存曲線（C）。數據顯示為均值±標準差，n=8個生物學重復。 （E和F）腫瘤生長軌跡（E）和生存曲線（F）。數據顯示為均值±標準差，n=8個生物學重復。 （H和I）腫瘤生長軌跡（H）和生存曲線（I）。數據顯示為均值±標準差，n=8個生物學重復。 （K和L）腫瘤生長軌跡（K）和腫瘤重量（L）。數據顯示為均值±標準差，n=8個生物學重復。 （M）有或無ABX處理小鼠MC38腫瘤中Doxil的熒光反射圖像。比例尺，2mm。 （N）注射后24小時Doxil的腫瘤蓄積量。數據以每克腫瘤組織注射劑量百分比表示，顯示為均值±標準差，n=4個生物學重復。 （P和Q）腫瘤生長軌跡（P）和生存曲線（Q）。數據顯示為均值±標準差，n=9個生物學重復。 （R）有或無ABX處理小鼠注射mLuc@LNPs后48小時的生物發光圖像和熒光素酶表達。數據顯示為均值±標準差，n=5個生物學重復。 （S）ABX處理和SPF對照小鼠皮膚血管中聚合物納米粒的活體顯微成像。比例尺，50μm。 （T）有或無ABX處理小鼠聚合物納米粒的藥代動力學曲線。數據顯示為均值±標準差，n=4個生物學重復。陰影區域代表標準差。圖片代表至少三次獨立實驗。統計采用雙因素方差分析及Tukey多重比較檢驗（B、E、H、K、P）、對數秩檢驗（C、F、I、Q）、單因素方差分析及Tukey多重比較檢驗（L）、非配對雙尾t檢驗（N、R）或雙因素方差分析（α=0.05）（T）。P<0.05；P<0.01；P<0.001；****P<0.0001；ns，不顯著。

研究進一步揭示，腸道菌群主要通過影響肝臟枯否細胞的吞噬活性來調控遞送系統的清除效率。高分辨率活體顯微鏡成像顯示，清除菌群后，位于肝門靜脈周圍的枯否細胞對納米顆粒的攝取減少了約70%，而肝中央靜脈區域的枯否細胞攝取也降低了40%，原本存在的區域吞噬異質性隨之消失。這種效應具有普適性，無論是脂質體、白蛋白納米粒、金納米粒等合成載體，還是腺相關病毒、腺病毒、慢病毒等病毒載體，其被枯否細胞捕獲的比例均顯著下降，導致遞送系統在血液循環中的滯留時間延長了近兩倍。通過糞便菌群移植恢復腸道菌群后，枯否細胞的吞噬活性和肝臟清除功能也隨之恢復，證實了腸道菌群對枯否細胞功能具有動態調節作用。

圖2. 腸上皮細胞對微生物的感知調控肝臟遞送系統清除。 （A）ABX處理和SPF對照小鼠中不同合成載體在枯否細胞中的標準化攝取，相對于對照小鼠門靜脈周圍枯否細胞均值。數據顯示為均值±標準差，n=4個生物學重復。 （B）有或無ABX處理小鼠枯否細胞形態及慢病毒吞噬的活體顯微成像。比例尺，20μm。 （C）ABX處理和SPF對照小鼠中不同病毒載體在枯否細胞中的標準化攝取，相對于SPF對照小鼠門靜脈周圍枯否細胞均值。數據顯示為均值±標準差，n=5個生物學重復。 （D）Tlr4fl/fl小鼠及內皮細胞、髓系細胞、肝細胞、B細胞和腸上皮細胞條件性Tlr4敲除小鼠中枯否細胞對聚合物納米粒的標準化攝取，相對于Tlr4fl/fl小鼠門靜脈周圍枯否細胞均值。數據顯示為中位數±四分位數，n=5個生物學重復。 （E）Myd88fl/fl及條件性Myd88敲除小鼠枯否細胞形態及聚合物納米粒吞噬的活體顯微成像。比例尺，100μm和20μm（插圖）。 （F）Myd88fl/fl及條件性Myd88敲除小鼠中枯否細胞對聚合物納米粒的標準化攝取，相對于Myd88fl/fl小鼠門靜脈周圍枯否細胞均值。數據顯示為中位數±四分位數，n=5個生物學重復。 （G）Myd88fl/fl及條件性Myd88敲除小鼠門靜脈周圍枯否細胞和中央靜脈周圍枯否細胞形態學參數熱圖。n=5個生物學重復。 （H）Myd88fl/fl及條件性Myd88敲除小鼠分區枯否細胞聚類的主成分分析圖，顯示整體形態學變異。每個點代表一個分區枯否細胞聚類的平均特征。n=5個生物學重復。 （I）彩色編碼的主成分分析圖顯示枯否細胞內納米粒平均強度。n=5個生物學重復。 （J）Vil1Cre-Myd88wt/wt和Vil1Cre-Myd88fl/fl同窩小鼠肝臟和MC38腫瘤中Doxil蓄積的熒光反射圖像。比例尺，2mm。 （K和L）Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠接受Doxil治療后MC38腫瘤的生長軌跡（K）和生存曲線（L）。數據顯示為均值±標準差，n=8至12個生物學重復。圖片代表至少三次獨立實驗。統計采用雙因素方差分析及Sidak多重比較檢驗（A、C）、單因素方差分析及Tukey多重比較檢驗（D、F）、雙因素方差分析及Tukey多重比較檢驗（K）或對數秩檢驗（L）。*P<0.001；**P<0.0001；ns，不顯著。

在機制研究層面，科學家們通過細胞特異性基因敲除小鼠模型，鎖定了腸道上皮細胞在這一“腸-肝”通訊中的核心地位。研究發現，革蘭氏陰性菌是驅動此通路的主要菌群，但其并非通過釋放脂多糖等產物直接作用于肝臟枯否細胞。相反，當腸道上皮細胞通過TLR4-MyD88信號通路感知微生物刺激后，會啟動一種間接的調控機制。令人意外的是，在多種肝臟細胞中特異性敲除該信號通路均不影響枯否細胞的活性，唯獨在腸道上皮細胞中敲除MyD88后，枯否細胞的吞噬活性顯著降低，其形態也由伸展的、具有豐富偽足的狀態轉變為更為緊湊、圓形的失活狀態，遞送系統的肝臟清除隨之減少，腫瘤遞送效率顯著提升。

圖3. 腸嗜鉻細胞來源的血清素向枯否細胞傳遞微生物刺激信號。 （A）流式細胞術定量經腸上皮細胞來源代謝分子處理后分離的原代枯否細胞的吞噬活性。數據顯示為均值±標準差，n=3個生物學重復。 （B）SPF對照、ABX處理或Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠門靜脈血中血清素標準化濃度，相對于對照小鼠均值。數據顯示為均值±標準差，n=16個生物學重復。 （C和D）Vil1Cre-Myd88wt/wt和Vil1Cre-Myd88fl/fl同窩小鼠肝臟中血清素的免疫組化染色（C）及信號強度定量（D）。數值以Vil1Cre-Myd88wt/wt小鼠均值標準化。比例尺，20μm。數據顯示為均值±標準差，n=5個生物學重復。 （E）有或無血清素補充的Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠枯否細胞形態及聚合物納米粒吞噬的活體顯微成像。比例尺，100μm和20μm（插圖）。 （F）示意圖顯示色氨酸生成血清素的代謝通路。 （G）Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠補充參與血清素生成的各種代謝物后枯否細胞對聚合物納米粒的標準化攝取，相對于對照小鼠門靜脈周圍枯否細胞均值。數據顯示為中位數±四分位數，n=4個生物學重復。 （H）TPH1-/-和野生型同窩小鼠枯否細胞形態及聚合物納米粒吞噬的活體顯微成像。比例尺，100μm和20μm（插圖）。 （I）TPH1-/-和野生型同窩小鼠中枯否細胞對聚合物納米粒的標準化攝取，相對于野生型同窩小鼠門靜脈周圍枯否細胞均值。數據顯示為中位數±四分位數，n=4個生物學重復。 （J）基于免疫組化染色的Vil1Cre-Myd88wt/wt和Vil1Cre-Myd88fl/fl同窩小鼠結腸中ATB0+、TPH1、SERT和MAO-A的表達。對于ATB0+和TPH1，數值以Vil1Cre-Myd88wt/wt小鼠均值標準化。數據顯示為均值±標準差，n=5個生物學重復。 （K）示意圖顯示腸道微生物調控腸上皮細胞中血清素的代謝通路及其生物合成與降解。

進一步篩選腸道上皮細胞分泌的代謝分子，研究者發現血清素是激活肝臟枯否細胞的關鍵信使。菌群缺失或腸道上皮細胞MyD88缺失均導致小鼠門靜脈血清素水平顯著下降，而回補血清素則能完全恢復枯否細胞的吞噬功能。通過分析色氨酸代謝通路，研究明確了腸道菌群通過MyD88信號，一方面上調腸道上皮細胞中色氨酸轉運蛋白的表達以增加血清素合成原料的攝取，另一方面抑制血清素的降解酶，共同促進了血清素的生成。在色氨酸羥化酶1全身敲除的小鼠中，由于無法合成外周血清素，其枯否細胞同樣呈現出低活性的形態和功能，證實了外周血清素在此過程中的必要性。

血清素如何激活枯否細胞的吞噬功能？研究團隊發現，枯否細胞表面表達多種血清素受體，其中HTR2c和HTR7亞型在此過程中發揮主導作用。當血清素與這些受體結合后，會激活下游的ERK信號通路，進而重塑細胞骨架。體外和體內實驗均顯示，血清素刺激使枯否細胞的偽足數量增加、長度延伸，F-肌動蛋白絲發生重排，細胞呈現出典型的活化形態。基因表達譜分析進一步揭示，血清素處理上調了枯否細胞中與吞噬功能相關的一系列基因，包括多種吞噬受體和參與細胞骨架調節的分子，從而全面增強了其對遞送系統的捕獲能力。

圖4. 血清素通過HTR2c/7-ERK信號通路激活枯否細胞吞噬活性。 （A）不同HTR1、HTR2、HTR3和HTR7激動劑處理的Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠枯否細胞形態及聚合物納米粒吞噬的活體顯微成像。比例尺，100μm和20μm（插圖）。 （B）不同HTR激動劑處理的Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠枯否細胞對聚合物納米粒的標準化攝取，相對于對照小鼠門靜脈周圍枯否細胞均值。數據顯示為中位數±四分位數，n=4個生物學重復。 （C）HTR2a-/-、HTR2b-/-、HTR2c-/-、HTR7-/-及野生型小鼠枯否細胞形態及聚合物納米粒吞噬的活體顯微成像。比例尺，100μm和20μm（插圖）。 （D）HTR敲除小鼠中枯否細胞對聚合物納米粒的標準化攝取，相對于野生型小鼠門靜脈周圍枯否細胞均值。數據顯示為中位數±四分位數，n=3個生物學重復。 （E）血清素處理后原代枯否細胞中ERK磷酸化的免疫印跡分析。數據顯示為均值±標準差，n=4個生物學重復。 （F）單獨補充血清素或血清素聯合ERK抑制劑處理的Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠枯否細胞形態及聚合物納米粒吞噬的活體顯微成像。比例尺，100μm和20μm（插圖）。 （G）單獨補充血清素或血清素聯合ERK抑制劑處理的Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠分區枯否細胞聚類的主成分分析圖，顯示整體形態學變異。n=5個生物學重復。 （H）單獨補充血清素或血清素聯合ERK抑制劑處理的Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠枯否細胞偽足結構的掃描電鏡圖像。比例尺，5μm和1μm（插圖）。 （I）掃描電鏡數據中枯否細胞偽足的數量和長度。數據顯示為中位數±四分位數，n=4個生物學重復。 （J）從Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠分離的枯否細胞中F-肌動蛋白組織的熒光圖像。枯否細胞單獨用血清素或血清素聯合ERK抑制劑處理24小時，隨后與聚合物納米粒孵育3小時。比例尺，20μm和5μm（插圖）。 （K）培養的枯否細胞中單獨用血清素或血清素聯合ERK抑制劑處理后F-肌動蛋白的長度（上）和標準化強度（下），相對于未處理細胞均值。數據顯示為中位數±四分位數，n=4個生物學重復。 （L）血清素處理相對于未處理Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠枯否細胞中髓系白細胞活化（上）和吞噬作用（下）的基因集富集分析圖。n=3個生物學重復。 （M）血清素處理后從Vil1Cre-Myd88fl/fl小鼠分離的枯否細胞中mRNA水平基因表達變化的熱圖。n=3個生物學重復。 （N）示意圖顯示腸上皮細胞來源的血清素激活枯否細胞對遞送系統吞噬的機制。血清素通過HTR2c和HTR7信號觸發枯否細胞中肌動蛋白重塑和吞噬受體表達，導致枯否細胞對遞送系統的高水平吞噬活性。圖片代表至少三次獨立實驗（n=3）。統計采用單因素方差分析及Tukey多重比較檢驗（B、D、I、K）或非配對雙尾t檢驗（E）。P<0.05；P<0.01；P<0.001；****P<0.0001；ns，不顯著。

基于上述發現，研究者探索了通過靶向血清素信號通路來提升遞送系統療效的可行性。利用血清素受體拮抗劑混合物同時阻斷HTR2c和HTR7，能夠顯著降低枯否細胞的吞噬活性，其效果與清除腸道菌群相當。更重要的是，這一干預策略在多種治療模型中展現出強大的應用潛力。在體細胞基因編輯中，給藥前短暫使用拮抗劑可使肝臟外器官的基因編輯效率提升數倍；在蛋白替代療法和溶瘤病毒療法中，聯合使用拮抗劑使腫瘤體積縮減幅度加倍，并顯著延長荷瘤小鼠的生存期。值得注意的是，這種干預僅需在遞送系統給藥前進行短暫處理即可獲得持久的治療增益。

飲食干預同樣被證明是一種有效且安全的調控手段。由于血清素的合成依賴于膳食中的色氨酸，給予荷瘤小鼠為期一周的色氨酸限制飲食后，其血清素水平降至正常水平的約30%，肝臟枯否細胞的吞噬活性顯著減弱，而腫瘤部位對遞送系統的攝取則增加了三倍以上。在此條件下，無論是蛋白替代療法還是溶瘤病毒療法，其抗腫瘤效果均得到大幅提升，且未引起小鼠體重下降等副作用。在溶瘤病毒治療晚期大體積腫瘤時，色氨酸限制飲食依然能顯著增強療效，而補充血清素則完全抵消了這種治療增益，進一步確認了血清素水平與治療效果的因果關聯。

圖5. 通過靶向血清素信號增強遞送系統介導的治療效果。 （A）HTR拮抗劑雞尾酒或對照溶液處理的SPF小鼠枯否細胞對聚合物納米粒攝取的活體顯微成像。比例尺，100μm和20μm（插圖）。 （B）血清素信號阻斷示意圖：使用TPH1抑制劑（LP-533401）或HTR2c/7拮抗劑（ritanserin和AVN-101）。 （C和D）HTR拮抗劑雞尾酒預處理后MC38腫瘤攜帶小鼠接受Doxil治療的腫瘤生長軌跡（C）和生存曲線（D）。數據顯示為均值±標準差，n=8個生物學重復。 （E和F）HTR拮抗劑雞尾酒預處理后MC38腫瘤攜帶小鼠接受mPTEN@LNPs治療的腫瘤生長軌跡（E）和生存曲線（F）。數據顯示為均值±標準差，n=8個生物學重復。 （G和H）HTR拮抗劑雞尾酒預處理后B16F10腫瘤攜帶小鼠接受溶瘤腺病毒治療的腫瘤生長軌跡（G）和腫瘤重量（H）。數據顯示為均值±標準差，n=8個生物學重復。 （I）色氨酸缺失飲食或對照飲食處理的小鼠門靜脈血中血清素濃度。數據顯示為均值±標準差，n=5個生物學重復。 （J）色氨酸缺失飲食處理期間和停止后枯否細胞中聚合物納米粒攝取的代表性活體顯微成像。比例尺，100μm。 （K）色氨酸缺失飲食處理期間和停止后枯否細胞中聚合物納米粒攝取的定量分析。數據顯示為均值±標準差，n=4個生物學重復。 （L和M）色氨酸缺失飲食預處理后原位4T1腫瘤攜帶小鼠接受mPTEN@LNPs治療的腫瘤生長軌跡（L）和腫瘤重量（M）。數據顯示為均值±標準差，n=8個生物學重復。 （N和O）色氨酸缺失飲食或色氨酸缺失飲食聯合血清素補充預處理后B16F10腫瘤攜帶小鼠接受溶瘤腺病毒治療的腫瘤生長軌跡（N）和腫瘤重量（O）。數據顯示為均值±標準差，n=8個生物學重復。 （P）血清素濃度與溶瘤病毒治療后腫瘤重量的相關性分析。統計采用雙因素方差分析及Tukey多重比較檢驗（C、E、G、L、N）、單因素方差分析及Tukey多重比較檢驗（H、M、O）或非配對雙尾t檢驗（I）。P<0.05；P<0.01；P<0.001；****P<0.0001；ns，不顯著。

本研究首次揭示了一條由腸道菌群驅動、通過腸道上皮細胞來源的血清素激活肝臟枯否細胞、從而清除體內遞送系統的“腸-肝免疫軸”。這一發現不僅從根本上解答了遞送系統為何在體內被快速清除的長期疑問，更提出了一種全新的、高度可轉化的策略來提升各類遞送系統的性能。通過短暫且可逆地抑制血清素信號通路，無論是采用外周限制性的藥物（如TPH1抑制劑、HTR2c/7拮抗劑或ERK抑制劑），還是通過簡單的飲食調整，均可有效降低肝臟的非特異性捕獲，顯著提高藥物遞送效率。鑒于血清素濃度易于通過飲食或臨床藥物調控，該策略具備廣闊的轉化前景，有望為基因治療、mRNA療法和精準癌癥治療等前沿領域帶來實質性的臨床獲益。