2026年03月20日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部王育才/朱書(shū)/蔣為課題組在Science期刊在線發(fā)表了題為“Commensal-driven serotonin production modulates in vivo delivery of synthetic and viral vectors”的研究論文。該研究突破傳統(tǒng)“以材料為中心”的研究范式，基于宿主內(nèi)源性免疫-代謝調(diào)控視角，系統(tǒng)揭示了一條由腸道共生菌驅(qū)動(dòng)的肝免疫調(diào)控軸在體內(nèi)遞送系統(tǒng)（In vivo delivery systems，IDSs）清除中的核心作用。

南模生物為該研究提供了Tlr4-KO（目錄號(hào)：NM-KO-18052）、Tlr4-Flox（目錄號(hào)：NM-CKO-200230）、Dppa3-Cre（目錄號(hào)：NM-KI-00040）、Myd88-Flox（目錄號(hào)：NM-CKO-200197）、Tph1-KO（目錄號(hào)：NM-KO-200774）及Tph1-2A-CreERT2（目錄號(hào)：NM-KI-234904）小鼠模型。

體內(nèi)遞送系統(tǒng)（In vivo delivery systems, IDSs）對(duì)于實(shí)現(xiàn)那些因生物利用度差或存在劑量限制性全身毒性而難以臨床應(yīng)用的治療藥物至關(guān)重要。以聚合物納米顆粒和病毒載體為代表的IDSs技術(shù)進(jìn)展，推動(dòng)了多種治療模式的快速發(fā)展，包括體細(xì)胞基因組編輯、基于mRNA的療法以及靶向癌癥治療。然而，一個(gè)主要且長(zhǎng)期存在的局限性依然未解：IDSs會(huì)被機(jī)體清除系統(tǒng)非選擇性地清除，這極大地降低了其向靶組織的遞送效率。在所有器官中，肝臟是IDSs清除的主要場(chǎng)所，其中的駐留Kupffer細(xì)胞（Kupffer cells, KCs）作為主要的清除細(xì)胞，能夠捕獲大部分注射劑量。目前減少肝臟對(duì)IDSs清除的策略主要依賴于防污表面修飾、材料再設(shè)計(jì)、KC飽和以及清除受體阻斷。盡管這些方法取得了一定成功，但仍存在很大的改進(jìn)空間，特別是在普適性、安全性、肝臟選擇性和臨床轉(zhuǎn)化潛力方面。

肝臟如何維持其高基線的IDSs清除能力，相關(guān)研究關(guān)注有限。識(shí)別調(diào)控KC-IDS相互作用的核心信號(hào)通路，將能夠開(kāi)發(fā)出根本不同的、適用于多種IDSs的遞送增強(qiáng)策略。鑒于腸道微生物群與肝臟之間存在密切的相互作用，研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)存在一條“腸-肝”信號(hào)軸，用于增強(qiáng)穩(wěn)態(tài)下KCs對(duì)外來(lái)實(shí)體（包括IDSs）的吞噬作用。對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了以下研究：

1 腸道菌群削弱基于IDS的藥物遞送
為探究腸道菌群對(duì)腫瘤靶向遞送化療藥物的影響。研究團(tuán)隊(duì)使用廣譜抗生素混合物（ABX）耗竭小鼠腸道菌群（圖1A），后檢測(cè)抗腫瘤藥多柔比星脂質(zhì)體（Doxil）的抗腫瘤效果。結(jié)果表明，在MC38結(jié)腸腺癌模型中，與對(duì)照組相比，ABX處理顯著增強(qiáng)了Doxil的抗腫瘤效果，小鼠生存率提高，至第150天時(shí)有25%的小鼠無(wú)腫瘤存活（圖1B-C）。無(wú)菌（GF）小鼠中亦觀察到類似結(jié)果，排除了ABX對(duì)腫瘤生長(zhǎng)的直接影響（圖1D-F）。進(jìn)一步使用原位4T1乳腺癌模型，發(fā)現(xiàn)腸道微生物群耗竭同樣提升了脂質(zhì)體米托蒽醌（Lipo MXT）的療效，表現(xiàn)為腫瘤生長(zhǎng)在首月內(nèi)受抑，生存期顯著延長(zhǎng)（圖1G-I）。此外，研究團(tuán)隊(duì)利用白蛋白納米顆粒包裹紫杉醇（Nab-紫杉醇）及由mPEG-b-PLGA構(gòu)成的多柔比星聚合物納米顆粒（DOX@NPs），進(jìn)一步驗(yàn)證了這一現(xiàn)象的普適性。

在病毒載體方面（另一種臨床可用的IDS類型，其自組裝的結(jié)構(gòu)成分作為藥物載體），經(jīng)靜脈注射溶瘤腺病毒（OAs）治療B16F10黑色素瘤時(shí)，腸道微生物群耗竭同樣顯著增強(qiáng)了抗腫瘤效果，腫瘤消融率由對(duì)照組的約28%提升至約76%（圖1J-L）。為明確其機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了IDS在腫瘤部位的蓄積情況，結(jié)果顯示，微生物群耗竭后，合成IDS（如Doxil和聚合物NPs）在多個(gè)腫瘤模型中的蓄積量增加約兩倍，病毒載體ADV的遞送效率亦提高至少三倍（圖1M-N）。以上數(shù)據(jù)表明，腸道微生物群對(duì)基于IDS的化療及病毒載體治療均具有顯著的抑制作用。

圖1. 腸道微生物群耗竭可增強(qiáng)基于IDS療法的抗腫瘤療效

2 腸道微生物群損害基于IDS的基因遞送
為探究腸道微生物群是否影響基于體內(nèi)遞送系統(tǒng)（IDS）的基因遞送效率，研究團(tuán)隊(duì)首先使用脂質(zhì)納米顆粒（LNPs）包裹Cre mRNA（mCre@LNPs），并評(píng)估了其編輯效率。結(jié)果顯示，腸道微生物群耗竭后，多個(gè)肝外器官（包括肺、脾和骨髓）的編輯效率顯著提升，增幅達(dá)5至15倍。進(jìn)一步利用表達(dá)Cre的腺相關(guān)病毒血清型2/9（Cre-AAV2/9）進(jìn)行DNA遞送，同樣發(fā)現(xiàn)微生物群耗竭使上述器官的編輯效率提高3至10倍。為驗(yàn)證其在治療中的應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)在MC38腫瘤模型中采用LNPs遞送編碼腫瘤抑制蛋白PTEN的mRNA（mPTEN@LNPs），結(jié)果顯示，腸道微生物群耗竭顯著增強(qiáng)了抗腫瘤效果，腫瘤體積縮減近三倍，中位生存期延長(zhǎng)一倍（圖1O-Q）。通過(guò)給予攜帶熒光素酶mRNA的LNPs（mLuc@LNPs）直接量化腫瘤遞送效率，發(fā)現(xiàn)微生物群耗竭后腫瘤內(nèi)LNPs蓄積增加，熒光素酶表達(dá)水平提升5.6倍（圖1R）。以上數(shù)據(jù)表明，腸道微生物群在基于IDS的基因遞送中發(fā)揮顯著的抑制作用，嚴(yán)重制約其治療潛力。

3 Kupffer細(xì)胞是腸道微生物群調(diào)節(jié)肝臟IDS清除的主要靶點(diǎn)
為探究腸道微生物群影響IDS遞送的細(xì)胞機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)藥代動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群耗竭顯著延長(zhǎng)了聚合物納米顆粒（NPs）的循環(huán)時(shí)間，注射后24小時(shí)血清濃度仍維持對(duì)照組的約兩倍，同時(shí)肝臟NP信號(hào)顯著降低（圖1S-T）。利用高分辨率肝臟活體顯微鏡（IVM）成像進(jìn)一步顯示，NPs主要沉積于肝竇，而使用氯膦酸鹽脂質(zhì)體耗竭巨噬細(xì)胞后，NP沉積消失，血液中NP濃度顯著升高。體內(nèi)熒光染色證實(shí)，Kupffer細(xì)胞（KCs）是攝取NPs的主要細(xì)胞類型。通過(guò)抗E-鈣粘蛋白抗體標(biāo)記門(mén)靜脈區(qū)域，研究團(tuán)隊(duì)區(qū)分出門(mén)靜脈周?chē)鶮Cs（PT-KCs）與中央靜脈周?chē)鶮Cs（CV-KCs），并發(fā)現(xiàn)PT-KCs具有更高的NP攝取活性。在ABX處理或GF小鼠中，IVM成像顯示PT-KCs的NP攝取減少約70%，CV-KCs減少約40%，KCs的區(qū)域性吞噬異質(zhì)性消失（圖2A）。這一現(xiàn)象在不同粒徑（0.13至1.3 μm）的多種合成載體及病毒載體中均得到驗(yàn)證（圖2A-C）。通過(guò)糞菌移植（FMT）重建微生物群后，KCs的吞噬活性恢復(fù)，肝臟清除功能回升。形態(tài)學(xué)分析顯示，微生物群耗竭后KCs細(xì)胞體縮小、偽足減少，主成分分析（PCA）表明其形態(tài)特征發(fā)生顯著改變，且與吞噬活性呈強(qiáng)相關(guān)性。為明確KCs活化是否依賴于直接感知微生物信號(hào)，研究團(tuán)隊(duì)利用細(xì)胞特異性基因敲除小鼠發(fā)現(xiàn)，KCs中Tlr4或Myd88的缺失并不影響其吞噬活性，而在腸上皮細(xì)胞（IECs）中特異性敲除上述基因（Vil1Cre-Tlr4^fl/fl和Vil1Cre-Myd88^fl/fl）則顯著降低KCs對(duì)合成及病毒IDS的攝取，消除其區(qū)域性吞噬差異，并延長(zhǎng)IDS循環(huán)時(shí)間、增強(qiáng)腫瘤遞送（圖2D-J）。以上數(shù)據(jù)表明，KCs是腸道微生物群調(diào)節(jié)肝臟IDS清除的核心靶細(xì)胞，但其活化并非通過(guò)直接感應(yīng)微生物信號(hào)，而是依賴于IECs介導(dǎo)的遠(yuǎn)程調(diào)控。

圖2. IECs介導(dǎo)的微生物感知可調(diào)節(jié)肝臟IDS清除功能

4 腸上皮細(xì)胞將腸道微生物刺激傳遞給KCs
為明確何種細(xì)胞群體介導(dǎo)腸道微生物信號(hào)向Kupffer細(xì)胞（KCs）的傳遞，研究團(tuán)隊(duì)利用多種Cre驅(qū)動(dòng)小鼠品系，在血管內(nèi)皮細(xì)胞、髓系細(xì)胞、肝細(xì)胞、B細(xì)胞及腸上皮細(xì)胞（IECs）中分別條件性敲除Tlr4或Myd88基因。結(jié)果顯示，僅在IECs中缺失該信號(hào)通路（Vil1Cre-Tlr4^fl/fl和Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠）即可顯著降低KCs對(duì)合成及病毒載體的攝取，效果與全身敲除小鼠相當(dāng)（圖2D-F）。形態(tài)學(xué)分析表明，Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠的門(mén)靜脈周?chē)鶮Cs（PT-KCs）與中央靜脈周?chē)鶮Cs（CV-KCs）發(fā)生明顯形態(tài)改變，主成分分析（PCA）顯示其形態(tài)特征空間出現(xiàn)獨(dú)特偏移，提示功能狀態(tài)轉(zhuǎn)換（圖2G-H）。此外，IECs中Myd88缺失并未改變腸道微生物組成或腸道免疫激活狀態(tài)，排除了間接干擾因素的影響。功能層面，Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠中KCs對(duì)納米顆粒的攝取減少，伴隨IDS循環(huán)時(shí)間延長(zhǎng)及腫瘤遞送效率提高，并顯著增強(qiáng)了Doxil化療在MC38腫瘤模型中的療效（圖2I-L）。以上數(shù)據(jù)表明，腸上皮細(xì)胞是腸道微生物群與肝臟KCs之間通訊的關(guān)鍵樞紐，其TLR4-MyD88信號(hào)將微生物刺激遠(yuǎn)程傳遞至肝臟，調(diào)控KCs的吞噬功能。

5 腸上皮細(xì)胞來(lái)源的血清素將微生物刺激傳遞給KCs
為探究腸上皮細(xì)胞（IECs）如何將微生物信號(hào)遠(yuǎn)程傳遞至肝臟Kupffer細(xì)胞（KCs），研究團(tuán)隊(duì)首先收集了IECs來(lái)源的35種代謝物，篩選其對(duì)KC吞噬活性的影響。結(jié)果顯示，血清素顯著增強(qiáng)了分離KCs對(duì)納米顆粒的攝�。▓D3A）。與對(duì)照組相比，抗生素處理或Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠門(mén)靜脈血中血清素濃度顯著降低，肝臟中血清素免疫反應(yīng)性亦減弱（圖3B-D）。在Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠中補(bǔ)充血清素可恢復(fù)KCs的尺寸與吞噬活性（圖3E）。進(jìn)一步分析色氨酸代謝通路發(fā)現(xiàn)，僅血清素及其直接前體5-羥色氨酸（5-HTP）能恢復(fù)KC吞噬功能，而色氨酸、犬尿氨酸及5-羥基吲哚乙酸無(wú)此效應(yīng)（圖3F-G）。在色氨酸羥化酶1（TPH1）敲除小鼠中，外周血清素合成缺陷導(dǎo)致KC吞噬活性及細(xì)胞尺寸顯著降低，補(bǔ)充血清素則可逆轉(zhuǎn)這一表型（圖3H-I）。機(jī)制層面，Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠結(jié)腸中色氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體ATB^0,+及血清素合成限速酶TPH1表達(dá)下調(diào)，而降解酶SERT與MAO-A表達(dá)上調(diào)（圖3J）。以上數(shù)據(jù)表明，IECs中MyD88信號(hào)通過(guò)促進(jìn)色氨酸攝取、增強(qiáng)血清素合成、抑制血清素降解，提高局部及全身血清素水平，進(jìn)而遠(yuǎn)程激活KC吞噬功能（圖3K）。
 

圖3. IEC源性5-羥色胺向Kupffer細(xì)胞（KCs）傳遞微生物刺激信號(hào)

6 血清素通過(guò)HTR2c和HTR7信號(hào)通路激活KCs
為明確Kupffer細(xì)胞（KCs）感知血清素的具體受體，研究團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)qPCR及免疫熒光染色篩選了KCs上表達(dá)的血清素受體（HTRs），檢測(cè)到Htr2a、Htr2b、Htr2c和Htr7的表達(dá)。利用不同HTR亞型特異性激動(dòng)劑處理Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠，結(jié)果顯示HTR2及HTR7激動(dòng)劑可恢復(fù)KCs對(duì)納米顆粒的攝取，而HTR1或HTR3激動(dòng)劑無(wú)效（圖4A-B）。進(jìn)一步通過(guò)基因敲除小鼠驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，HTR2c^-/-或HTR7^-/-小鼠的KC吞噬活性顯著降低，而HTR2a^-/-或HTR2b^-/-小鼠則無(wú)明顯變化（圖4C-D）。為探究下游信號(hào)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)到血清素處理可增強(qiáng)原代KCs中ERK的磷酸化水平；使用ERK抑制劑（ERKi）共同處理則完全阻斷血清素誘導(dǎo)的KC吞噬活性增加及偽足形成（圖4E-I）。同時(shí)，血清素促進(jìn)F-肌動(dòng)蛋白聚合，該效應(yīng)同樣可被ERKi消除（圖4J-K）。RNA測(cè)序分析顯示，血清素處理后KCs中與吞噬作用和髓系白細(xì)胞激活相關(guān)的基因集顯著富集，多個(gè)清道夫受體、Fc受體及吞噬相關(guān)基因（如Marco、Cd36、Fcgr1、Trem2等）表達(dá)上調(diào)（圖4L-M）。以上數(shù)據(jù)表明，血清素通過(guò)KCs上的HTR2c/7受體激活ERK信號(hào)通路，促進(jìn)細(xì)胞骨架重塑及吞噬相關(guān)基因表達(dá)，從而增強(qiáng)KCs對(duì)多種IDS的攝取能力（圖4N）。

圖4. 血清素通過(guò)HTR2c/7-ERK信號(hào)通路激活KC吞噬活性

7 調(diào)節(jié)血清素信號(hào)通路增強(qiáng)IDS的體內(nèi)遞送和療效
為探究靶向血清素信號(hào)通路能否改善體內(nèi)遞送系統(tǒng)（IDS）的遞送效率及治療效果，研究團(tuán)隊(duì)首先采用藥理學(xué)阻斷策略，在無(wú)特定病原體（SPF）小鼠中聯(lián)合給予HTR2c拮抗劑利坦色林與HTR7拮抗劑AVN-101（合稱HTR拮抗劑混合物）。結(jié)果顯示，該處理協(xié)同降低了庫(kù)普弗細(xì)胞（KCs）對(duì)納米顆粒的攝取，延長(zhǎng)了納米顆粒的血液循環(huán)時(shí)間，并使其在MC38腫瘤中的蓄積量顯著增加（圖5A-E）。在療效層面，HTR拮抗劑混合物聯(lián)合Doxil化療顯著縮小了MC38腫瘤體積并延長(zhǎng)了小鼠生存期；聯(lián)合溶瘤腺病毒（OAs）治療亦顯著增強(qiáng)了B16F10黑色素瘤模型的抗腫瘤效果，即使對(duì)晚期腫瘤同樣有效（圖5F-I）。在TPH1^-/-小鼠中，該混合物未進(jìn)一步增效，證實(shí)其作用依賴于血清素通路。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用飲食干預(yù)策略，通過(guò)短期無(wú)色氨酸（Trp）飲食將血清素濃度降至對(duì)照水平的約25%，可逆性地抑制了KCs吞噬活性，且未改變腸道微生物組成（圖5J）。無(wú)Trp飲食顯著提高了聚合物納米顆粒、脂質(zhì)納米顆粒及腺病毒在腫瘤中的蓄積（圖5K），并增強(qiáng)了Doxil化療、mPTEN@LNPs蛋白替代療法及OAs溶瘤病毒療法的抗腫瘤效果（圖5L-O）。相關(guān)性分析顯示，血清素濃度與OAs治療小鼠的總生存期呈顯著負(fù)相關(guān)（圖5P）。以上數(shù)據(jù)表明，通過(guò)藥理學(xué)阻斷HTR2c/7或飲食限制色氨酸來(lái)抑制血清素信號(hào)，可有效減輕肝臟對(duì)IDS的非特異性清除，顯著提升多種IDS的體內(nèi)遞送效率及基于IDS的癌癥與基因治療效果。

圖5. 阻斷血清素受體或限制膳食色氨酸（Trp）可提高多種臨床相關(guān)IDS療法的療效

總的來(lái)說(shuō)，該研究揭示了腸道菌群調(diào)控體內(nèi)遞送系統(tǒng)（IDS）效率的關(guān)鍵機(jī)制：共生菌經(jīng)MyD88信號(hào)誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生血清素，血清素作用于肝臟庫(kù)普弗細(xì)胞的HTR2c/7受體，激活ERK通路并增強(qiáng)吞噬，維持肝臟對(duì)IDS的高強(qiáng)度清除。使用血清素受體拮抗劑或短期色氨酸限制飲食，即可可逆地抑制該通路，顯著減少肝臟對(duì)納米藥物和病毒載體的非特異性攝取。該工作深化了對(duì)遞送載體清除機(jī)制的認(rèn)識(shí)，突破了非特異性清除瓶頸，推動(dòng)該領(lǐng)域由“材料優(yōu)化”向“系統(tǒng)調(diào)控”范式轉(zhuǎn)變。
 

圖6. 研究模式圖

關(guān)于我們
上海南方模式生物科技股份有限公司（Shanghai Model Organisms Center, Inc.，簡(jiǎn)稱"南模生物"），成立于2000年9月，是一家上交所科創(chuàng)板上市高科技生物公司（股票代碼：688265），始終以編輯基因、解碼生命為己任，專注于模式生物領(lǐng)域，打造了以基因修飾動(dòng)物模型研發(fā)為核心，涵蓋多物種模型構(gòu)建、飼養(yǎng)繁育、表型分析、藥物臨床前評(píng)價(jià)等多個(gè)技術(shù)平臺(tái)，致力于為全球高校、科研院所、制藥企業(yè)等客戶提供全方位、一體化的基因修飾動(dòng)物模型產(chǎn)品解決方案。