人類的腸道是成千上萬種細菌的家園，其中一些細菌有可能治療各種胃腸道疾病。 一些物種可能有助於對抗結腸癌，而另一些則可以幫助治療或預防艱難梭菌等感染。 開發這些「活體生物治療劑」的障礙之一是，許多可能有益的菌種（大部分是厭氧菌）受到氧氣的傷害，使得製造、儲存和交付它們變得困難。

麻省理工學院的化學工程師們現在已經表明，他們可以用一種塗層來保護這些細菌，幫助它們在製造過程中生存。

在2021年12月10日發表在《美國化學學會雜誌》上的一項研究中，研究人員表明他們可以將這種塗層用於大腸桿菌的一個菌株以及另一個可能有助於消化植物澱粉的物種。 他們說，這種塗層也可以應用於許多其他物種。

“我們相信這種塗層可以用來保護幾乎所有感興趣的微生物，”化學工程系雷蒙德和海倫-聖洛朗職業發展教授、新研究的資深作者Ariel Furst說。 “我們認為有一些微生物可以幫助治療各種疾病，而且我們可以保護它們進行製造和生產。”

麻省理工學院博士後Gang Fan是這項研究的主要作者。 麻省理工學院本科生Pris Wasuwanich和前麻省理工學院材料研究實驗室暑期學者Mariela Rodriguez-Otero也是該論文的作者。

生活在人類腸道中的大多數微生物是厭氧的，它們對氧氣有不同程度的敏感性。 有些可以忍受一點點氧氣，而對大多數厭氧菌而言氧氣是致命的。

這使得測試它們作為人類疾病治療方法的潛力變得很困難，因為細菌需要被凍乾並配製成膠囊，以便用於治療。 在這項研究中，Furst和她的同事決定嘗試用一種由金屬離子和稱為多酚的有機化合物製成的材料來保護厭氧細菌。

當多酚類物質和金屬離子被放入溶液中時，它們會形成一個二維的網格狀薄片。 在這項研究中，研究人員使用了對人類消費安全的鐵和三種多酚，它們都被食品和藥物管理局列為GRAS（一般認為是安全的）：沒食子酸、單寧酸和表沒食子酸，所有這些都存在於茶和其他植物產品中。

當細菌被添加到溶液中，該材料會在單個細菌細胞上自我組裝成一層塗層。 這種塗層在凍乾和製造過程中保護細菌。 研究人員表明，被包覆的細胞是健康的，能夠進行正常的細胞活動，儘管它們的生長被暫時抑制了。

當暴露在酸性環境中時，例如在胃中，塗層會分解並釋放細菌。 研究人員用來測試塗層的菌種之一是Bacteroides thetaiotaomicron。 這個物種具有專門消化碳水化合物的酶，在健康人的腸道微生物組中似乎更為豐富。 然而，由於這些細菌對氧氣非常敏感，因此很難研究這些細菌如果作為生物治療劑可能如何促進健康。

具有這種保護性塗層的細菌也可以用於農業應用，如説明農作物提高生存能力。 該塗層的另一個可能的應用是用它來保護用作疫苗的微生物。 卡介苗由導致結核病的微生物的活載體組成，很難生產且必須在低溫下儲存。 Furst說，給它塗上一層保護層可以消除對冷藏的需要，使分發更容易。 如果能夠消除對冷藏和運輸的需求，我們認為這將使很多治療方法得到更廣泛的應用。