微生物治疗：极端微生物/添加剂组合

麻省理工学院的研究人员现在报告了一种方法，使微生物能够承受极端条件和药物制造方法。他们的方法是将细菌与“通常被认为是安全的”添加剂混合。研究小组认为，在极端条件下稳定生物活性生物的能力可以开启广泛的应用，从人类和农业用途到潜在的太空探索。

　　

用于健康、农业或其他应用的微生物需要能够承受极端条件，理想情况下，还需要能够承受用于制造长期储存片剂的制造过程。麻省理工学院的研究人员现在报告了一种方法，使微生物能够承受这些极端条件。

他们的方法是将细菌与食品和药物添加剂混合，这些添加剂来自FDA分类为“通常被认为是安全的”化合物清单。研究人员确定了有助于稳定几种不同类型微生物的配方，包括酵母、革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌，他们表明，这些配方可以承受高温、辐射和工业加工，这些都可以破坏未受保护的微生物。

在一个更极端的测试中，一些微生物最近从国际空间站返回，由休斯顿航天中心科学与研究经理菲利斯·弗里洛协调，研究人员现在正在分析微生物如何能够承受这些条件。

麻省理工学院机械工程副教授、布莱根妇女医院胃肠病学家Giovanni Traverso博士说:“这个项目的目的是在极端条件下稳定生物体。”我们真的在考虑广泛的应用，无论是太空任务、人类应用还是农业用途。”

资深作者Traverso与第一作者Miguel Jimenez博士(前麻省理工学院研究科学家，现为波士顿大学生物医学工程助理教授)及其同事在《Nature Materials》上发表了一篇文章。在他们的报告中，研究小组得出结论:“这些合成的极端微生物将改变我们在人类应用中传播生物活性生物的能力，从全球的货架到农业实践的田地，再到太空探索的航天飞机。”

这组作者写道，通常用于生产食品和药品的微生物现在正在被探索作为药物和农业补充剂。“微生物一直是人类技术进步的核心，并将继续在从食品生产(例如烘焙食品)到生物制剂制造(例如合成胰岛素)的广泛领域发挥关键作用。对于这些类型的应用，微生物细胞只在制造过程中保持存活，并从最终产品中被破坏，失活或移除。制药、农业和空间卫生领域现在已经转向开发活微生物，作为治疗疾病、提高作物产量和按需生物生产的最终产品……这些新的微生物技术的关键是在产品的整个生命周期内保持高细胞活力。”他们建议，理想的解决方案是干燥的微生物配方，易于包装、运输和使用。

大约六年前，在美国宇航局太空健康转化研究所(TRISH)的资助下，Traverso的实验室开始研究新方法，使益生菌和微生物疗法等有益细菌更具弹性。首先，研究人员分析了13种市售益生菌，发现其中6种产品的活菌含量低于标签上的含量。他们写道:“当我们调查一系列益生菌的活细胞计数(菌落形成单位，cfu)时我们发现，13种产品中只有7种产品的活细胞计数达到或高于标签上的承诺数量平均(几何)活力约为承诺数量的21%。”

Traverso解释说:“我们发现，也许并不奇怪，存在差异，而且可能是显著的。那么下一个问题是，鉴于此，我们能做些什么来帮助这种情况?”在他们报告的实验中，研究人员专注于三种细菌和一种酵母。大肠杆菌Nissle 1917是一种益生菌。Ensifer meliloti是一种可以在土壤中固定氮以支持植物生长的细菌。植物乳杆菌被用来发酵食品。博拉氏酵母菌也被用作益生菌。

在医疗或农业应用中，微生物通常通过一种称为冻干的过程干燥成粉末。然而，它们通常不能制成片剂或药丸等形式，因为这种过程需要暴露在有机溶剂中，而有机溶剂对细菌是有毒的。麻省理工学院的研究小组开始寻找能够提高微生物在这种加工过程中生存能力的添加剂。“在设计我们的方法时，我们的首要要求是监管和工业可翻译性，”他们解释说。他们的策略是使用物质稳定剂，而不是使用会“增加监管负担”的基因变化。

同样，他们指出，我们不是开发新的合成材料，而是设计了他们所描述的主要由FDA公认安全的材料组成的材料库。

“我们开发了一个工作流程，我们可以从FDA的‘通常被认为是安全的’材料清单中提取材料，并将这些材料与细菌混合和匹配，并询问，在冻干过程中是否存在增强细菌稳定性的成分?”Traverso指出。

这种方法允许他们将微生物与大约100种不同成分中的一种混合，然后培养它们，看看哪种在室温下储存30天后存活得最好。这些实验揭示了不同的成分，主要是糖和肽，对每种微生物最有效。

然后，研究人员选择了大肠杆菌Nissle 1917进行进一步优化。这种益生菌被用来治疗“旅行者腹泻”，这是一种由于饮用水被有害细菌污染而引起的疾病。研究人员发现，如果他们将咖啡因或酵母提取物与一种名为美利二糖的糖结合起来，他们就可以制造出一种非常稳定的大肠杆菌尼索尔1917配方。这种混合物被研究人员称为配方D，在37摄氏度的环境下储存6个月后，微生物的存活率超过10%。相比之下，市售的大肠杆菌Nissle 1917配方在这些条件下仅11天后就失去了所有的活力。研究人员指出:“当在室温下储存一个月时，美利二糖和制剂D的性能都比商业产品Mutaflor (e.c oli Nissle 1917)高出3.5个数量级。”

配方D还能承受更高水平的电离辐射，高达1000格瑞。“在这种辐射水平下，同样细菌的液体悬浮液失去了所有可测量的生存能力，”科学家们写道。在地球上，典型的辐射剂量大约是每天15微格雷，而在太空中，大约是每天200微格雷。

此外，它们的配方与药物加工和片剂兼容。他们说:“我们还表明，这些合成的极端微生物能够承受制药生产的工作流程，从而能够生产控释微生物剂型。”研究人员并不确切知道他们的配方是如何保护细菌的，但他们假设添加剂可能有助于在补液过程中稳定细菌细胞膜。

此外，研究人员还表明，这些微生物不仅能在恶劣的条件下生存，而且在这样的环境下也能保持它们的功能。研究人员发现，将Ensifer meliloti暴露在高达50摄氏度的温度下后，它们仍然能够在植物根部形成共生结核，并将氮转化为氨。他们还发现，当大肠杆菌尼索1917在实验室培养皿中一起生长时，他们的配方能够抑制福氏志贺氏菌的生长，福氏志贺氏菌是中低收入国家腹泻相关死亡的主要原因之一。“我们进一步证明，在活的动物和植物中，合成的极端微生物即使在高温下也能抵抗肠道病原体，并作为固氮植物补充剂发挥作用。”

去年，这些极端微生物的几个菌株被送往国际空间站，Jimenez 将其描述为“终极压力测试”。他说:“即使只是在地球上进行飞行前验证的运输，以及飞行前的储存都是这次测试的一部分，一路上没有温度控制。”这些样本最近返回了地球，Jimenez 的实验室正在对它们进行分析。他计划比较保存在国际空间站内的样本与固定在空间站外的样本，以及留在地球上的对照样本。

在总结他们报告的工作时，该团队表示:“我们开发了一种高通量管道，用于定义物种特异性材料，使其能够在干燥、高温、有机溶剂和电离辐射中存活……这种合成的、基于材料的稳定性增强了我们在地球极端环境中应用微生物的能力，并可能在探索太空旅行期间应用微生物。”

他们写道，微生物稳定性和剂型设计的进一步改进可能涉及遗传方法或单细胞封装技术。“我们的散装材料稳定方法与这些方法正交，可以与这些方法相结合，使微生物材料具有更先进的稳健性和药代动力学释放谱。”

Synthetic extremophiles via species-specific formulations improve microbial therapeutics.