Создание биотерапевтических средств для лечения желудочно-кишечных заболеваний

Инженеры-химики создали покрытие для микробов, которое может облегчить использование организмов для лечения желудочно-кишечных заболеваний.

В кишечнике человека обитают тысячи видов бактерий, и некоторые из этих бактерий могут лечить различные желудочно-кишечные заболевания. Некоторые виды могут помочь в борьбе с раком толстой кишки, в то время как другие могут помочь в лечении или предотвращении таких инфекций, как C. difficile.

Одним из препятствий на пути разработки этих «живых биотерапевтических средств» является то, что многие виды, которые могут быть полезными, страдают от кислорода, что затрудняет их производство, хранение и доставку.

Инженеры-химики Массачусетского технологического института доказали, что могут защитить эти бактерии с помощью покрытия, которое помогает им выжить в производственном процессе.

В исследовании, опубликованном 10 декабря 2021 года в журнале Американского химического общества, исследователи показали, что они могут использовать покрытие на штамме кишечной палочки, а также на других видах, которые могут помочь в переваривании растительного крахмала. По их словам, покрытие может быть применено и ко многим другим видам.

«Мы считаем, что это покрытие можно использовать для защиты практически любого интересующего микроба», — говорит Ариэль Ферст, профессор химического машиностроения Раймонда и Хелен Сен-Лоран, занимающийся развитием карьеры, и старший автор нового исследования. «Мы думаем, что существуют микробы, которые могут помочь при различных заболеваниях, и что мы можем защитить их при производстве и производстве».

Постдок MIT Gang Fan — ведущий автор исследования. Прис Васуванич, студентка Массачусетского технологического института, и Мариэла Родригес-Отеро, бывший научный сотрудник лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института, также являются авторами статьи.

Защитное покрытие

Большинство микробов, обитающих в кишечнике человека, анаэробны и имеют разную степень чувствительности к кислороду. Некоторые могут переносить небольшое количество кислорода, в то время как для других кислород смертельно опасен.

Это затрудняет проверку их потенциала в качестве лечения заболеваний человека, потому что бактерии должны быть высушены вымораживанием и приготовлены в виде капсул, чтобы их можно было использовать в терапевтических целях. В этом исследовании Ферст и ее коллеги решили попытаться защитить анаэробные бактерии, покрывая их материалом, состоящим из ионов металлов и органических соединений, называемых полифенолами.

Когда полифенолы и ионы металлов помещаются в раствор, они образуют двумерный решетчатый лист.

Для этого исследования исследователи использовали железо, которое безопасно для употребления в пищу, и три полифенола, классифицируемые Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов как GRAS (обычно считающиеся безопасными):

• галловая кислота,
• дубильная кислота и эпигаллокатехин,
• все из которых содержатся в чае и других растительных продуктах.

Если в раствор также добавляются бактерии, материал самособирается в покрытие на отдельных бактериальных клетках. Это покрытие защищает от бактерий во время сублимационной сушки и производственного процесса. Исследователи показали, что покрытые оболочкой клетки были здоровыми и могли выполнять нормальную клеточную деятельность, хотя их рост был временно подавлен.

При воздействии кислой среды, например, в желудке, покрытие разрушается и высвобождает бактерии.

Размещение бактерий

Один из штаммов, которые исследователи использовали для тестирования покрытия, — это Bacteroides thetaiotaomicron. Этот вид, у которого есть ферменты, специализирующиеся на переваривании углеводов, по-видимому, более распространен в микробиоме кишечника здоровых людей. Однако было трудно изучить, как эти бактерии могут способствовать укреплению здоровья, если их вводить в качестве биотерапевтических средств, поскольку они очень чувствительны к кислороду.

Бактерии с этим типом защитного покрытия также могут быть полезны в сельском хозяйстве, например, для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к стрессу. Еще одно возможное применение покрытия — защита от микробов, используемых в качестве вакцин. Вакцину БЦЖ, которая состоит из бычьей версии микроба, вызывающего туберкулез, сложно производить, и ее необходимо хранить при низких температурах. По словам Ферста, покрытие его защитным слоем может устранить необходимость в хранении в холодильнике и упростить распространение.

«Если мы сможем избавиться от необходимости в холодном хранении и транспортировке, мы думаем, что это сделает многие терапевтические препараты более доступными», — говорит она.

Исследование финансировалось Центром MIT-Deshpande, Программой исследовательских возможностей для студентов Массачусетского технологического института и Программой MRSEC Лаборатории исследования материалов Массачусетского технологического института Национального научного фонда.