上海交大劉盡堯團隊《Acc. Chem. Res.》綜述：多巴胺聚合介導的細菌表面功能化
近日，上海交通大學分子醫學研究院劉盡堯研究員團隊在Accounts of Chemical Research發表了題為“Dopamine Polymerization-Mediated Surface Functionalization toward Advanced Bacterial Therapeutics”的綜述論文，主要總結了該課題組關于多巴胺聚合介導的細菌表面修飾與功能化及其在生物醫學領域應用的最新進展。
貽貝可以通過分泌黏附蛋白附著在不同類型的表面上，這些黏附蛋白含有大量的3,4-二羥基-L-苯丙氨酸和賴氨酸。受貽貝這一特性的啟發，含有兒茶酚和氨基的多巴胺被開發用作小分子前體，通過聚合以實現類似的黏附性能。自2007年Messersmith團隊在Science雜志開創性地報道了聚多巴胺對多種材料的黏附特性后，聚多巴胺涂層作為一種仿生方法，被廣泛用于無機和有機材料的表面功能化修飾。由于細菌的表面組分，如脂多糖、次卵酸和蛋白質等，含有大量的胺、硫醇和羥基，多巴胺可以通過氫鍵、π-π堆疊、邁克爾加成和希夫堿反應等將各種功能性小分子和大分子靈活地沉積到細菌表面。
在該綜述論文中，劉盡堯課題組詳細總結了在細胞相容條件下通過原位多巴胺聚合對細菌表面進行修飾的優化策略。首先，通過簡單的原位多巴胺聚合反應，該課題組為細菌穿上一層聚多巴胺涂層外衣，建立了對細菌進行單模態表面修飾的策略。接著，這種策略可以通過進一步修飾單一或多種功能元件而升級為細菌的雙模態或多模態表面修飾。該團隊建立了多種方法，包括“兩步法”、“一鍋法”以及“一鍋兩步法”將功能元件修飾在細菌表面。“兩步法”是指先形成聚多巴胺涂層，然后通過沉積含有胺和硫醇基團的生物分子進行進一步修飾，形成功能化涂層。“一鍋法”是將多巴胺和生物分子通過一步反應共同沉積在細菌表面。而“一鍋兩步法”則是將這兩種方法靈活地依次結合起來，以實現多種功能元件的組合修飾。
接下來，該課題組充分闡述了表面修飾對細菌功能的調節作用。聚多巴胺涂層外衣不僅能大大提高生物利用度，賦予細菌抵抗體內不良環境的能力，還能增強細菌對過度激活免疫反應的抑制能力。與特定配體或治療組分的整合使修飾后的細菌在病變部位增加靶向積累和定植，或在疾病治療中發揮協同作用。與蛋白抗原、抗體或免疫佐劑等免疫活性成分共同沉積能夠促進修飾后的細菌與宿主相互作用，激發保護性的先天或適應性免疫應答。
其次，該論文強調了多巴胺聚合介導的表面修飾作為一種高效、通用的方法，可以個性化訂制細菌的功能，以滿足疾病治療的多樣化需求。并重點介紹了表面修飾細菌作為多功能活體細菌藥物在疾病治療中的應用，主要包括通過口服給藥治療炎癥性腸病，以及通過系統給藥或腫瘤內注射干預多種類型的腫瘤。
最后，討論了多巴胺聚合介導的多功能化在制備有效的活體細菌藥物及其臨床轉化所面臨的挑戰。主要包括如何高效修飾不耐氧氣的腸道共生厭氧細菌；如何在標準化過程中將給藥劑量與有效量聯系起來；開發能夠響應體內不同病理微環境的多巴胺功能涂層；進一步明確不同疾病的發病機制和細菌在這些疾病中的作用，以準確確定最適合表面修飾的功能分子。
總的來說，利用聚合介導的表面功能化操縱細菌生物功能的新興領域依賴于對化學、材料科學和微生物學的全面理解。這篇綜述為細菌功能化改造提供了一個獨特視角，希望能吸引研究人員的廣泛興趣，并促進下一代細菌療法的發展和應用。
上海交通大學分子醫學研究院王露副研究員為該論文第一作者，劉盡堯研究員為通訊作者。該工作得到了科技部重點研發計劃課題、國家自然科學基金、上海市探索者計劃、上海市高水平地方高校創新研究團隊項目等支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.accounts.3c00798
