2026年03月20日，中国科学技术大学生命科学与医学部王育才/朱书/蒋为课题组在Science期刊在线发表了题为“Commensal-driven serotonin production modulates in vivo delivery of synthetic and viral vectors”的研究论文。该研究突破传统“以材料为中心”的研究范式，基于宿主内源性免疫-代谢调控视角，系统揭示了一条由肠道共生菌驱动的肝免疫调控轴在体内递送系统（In vivo delivery systems，IDSs）清除中的核心作用。

南模生物为该研究提供了Tlr4-KO（目录号：NM-KO-18052）、Tlr4-Flox（目录号：NM-CKO-200230）、Dppa3-Cre（目录号：NM-KI-00040）、Myd88-Flox（目录号：NM-CKO-200197）、Tph1-KO（目录号：NM-KO-200774）及Tph1-2A-CreERT2（目录号：NM-KI-234904）小鼠模型。

体内递送系统（In vivo delivery systems, IDSs）对于实现那些因生物利用度差或存在剂量限制性全身毒性而难以临床应用的治疗药物至关重要。以聚合物纳米颗粒和病毒载体为代表的IDSs技术进展，推动了多种治疗模式的快速发展，包括体细胞基因组编辑、基于mRNA的疗法以及靶向癌症治疗。然而，一个主要且长期存在的局限性依然未解：IDSs会被机体清除系统非选择性地清除，这极大地降低了其向靶组织的递送效率。在所有器官中，肝脏是IDSs清除的主要场所，其中的驻留Kupffer细胞（Kupffer cells, KCs）作为主要的清除细胞，能够捕获大部分注射剂量。目前减少肝脏对IDSs清除的策略主要依赖于防污表面修饰、材料再设计、KC饱和以及清除受体阻断。尽管这些方法取得了一定成功，但仍存在很大的改进空间，特别是在普适性、安全性、肝脏选择性和临床转化潜力方面。

肝脏如何维持其高基线的IDSs清除能力，相关研究关注有限。识别调控KC-IDS相互作用的核心信号通路，将能够开发出根本不同的、适用于多种IDSs的递送增强策略。鉴于肠道微生物群与肝脏之间存在密切的相互作用，研究团队假设存在一条“肠-肝”信号轴，用于增强稳态下KCs对外来实体（包括IDSs）的吞噬作用。对此，研究团队进行了以下研究：

1 肠道菌群削弱基于IDS的药物递送
为探究肠道菌群对肿瘤靶向递送化疗药物的影响。研究团队使用广谱抗生素混合物（ABX）耗竭小鼠肠道菌群（图1A），后检测抗肿瘤药多柔比星脂质体（Doxil）的抗肿瘤效果。结果表明，在MC38结肠腺癌模型中，与对照组相比，ABX处理显著增强了Doxil的抗肿瘤效果，小鼠生存率提高，至第150天时有25%的小鼠无肿瘤存活（图1B-C）。无菌（GF）小鼠中亦观察到类似结果，排除了ABX对肿瘤生长的直接影响（图1D-F）。进一步使用原位4T1乳腺癌模型，发现肠道微生物群耗竭同样提升了脂质体米托蒽醌（Lipo MXT）的疗效，表现为肿瘤生长在首月内受抑，生存期显著延长（图1G-I）。此外，研究团队利用白蛋白纳米颗粒包裹紫杉醇（Nab-紫杉醇）及由mPEG-b-PLGA构成的多柔比星聚合物纳米颗粒（DOX@NPs），进一步验证了这一现象的普适性。

在病毒载体方面（另一种临床可用的IDS类型，其自组装的结构成分作为药物载体），经静脉注射溶瘤腺病毒（OAs）治疗B16F10黑色素瘤时，肠道微生物群耗竭同样显著增强了抗肿瘤效果，肿瘤消融率由对照组的约28%提升至约76%（图1J-L）。为明确其机制，研究团队检测了IDS在肿瘤部位的蓄积情况，结果显示，微生物群耗竭后，合成IDS（如Doxil和聚合物NPs）在多个肿瘤模型中的蓄积量增加约两倍，病毒载体ADV的递送效率亦提高至少三倍（图1M-N）。以上数据表明，肠道微生物群对基于IDS的化疗及病毒载体治疗均具有显著的抑制作用。

图1. 肠道微生物群耗竭可增强基于IDS疗法的抗肿瘤疗效

2 肠道微生物群损害基于IDS的基因递送
为探究肠道微生物群是否影响基于体内递送系统（IDS）的基因递送效率，研究团队首先使用脂质纳米颗粒（LNPs）包裹Cre mRNA（mCre@LNPs），并评估了其编辑效率。结果显示，肠道微生物群耗竭后，多个肝外器官（包括肺、脾和骨髓）的编辑效率显著提升，增幅达5至15倍。进一步利用表达Cre的腺相关病毒血清型2/9（Cre-AAV2/9）进行DNA递送，同样发现微生物群耗竭使上述器官的编辑效率提高3至10倍。为验证其在治疗中的应用，研究团队在MC38肿瘤模型中采用LNPs递送编码肿瘤抑制蛋白PTEN的mRNA（mPTEN@LNPs），结果显示，肠道微生物群耗竭显著增强了抗肿瘤效果，肿瘤体积缩减近三倍，中位生存期延长一倍（图1O-Q）。通过给予携带荧光素酶mRNA的LNPs（mLuc@LNPs）直接量化肿瘤递送效率，发现微生物群耗竭后肿瘤内LNPs蓄积增加，荧光素酶表达水平提升5.6倍（图1R）。以上数据表明，肠道微生物群在基于IDS的基因递送中发挥显著的抑制作用，严重制约其治疗潜力。

3 Kupffer细胞是肠道微生物群调节肝脏IDS清除的主要靶点
为探究肠道微生物群影响IDS递送的细胞机制，研究团队首先通过药代动力学分析发现，肠道微生物群耗竭显著延长了聚合物纳米颗粒（NPs）的循环时间，注射后24小时血清浓度仍维持对照组的约两倍，同时肝脏NP信号显著降低（图1S-T）。利用高分辨率肝脏活体显微镜（IVM）成像进一步显示，NPs主要沉积于肝窦，而使用氯膦酸盐脂质体耗竭巨噬细胞后，NP沉积消失，血液中NP浓度显著升高。体内荧光染色证实，Kupffer细胞（KCs）是摄取NPs的主要细胞类型。通过抗E-钙粘蛋白抗体标记门静脉区域，研究团队区分出门静脉周围KCs（PT-KCs）与中央静脉周围KCs（CV-KCs），并发现PT-KCs具有更高的NP摄取活性。在ABX处理或GF小鼠中，IVM成像显示PT-KCs的NP摄取减少约70%，CV-KCs减少约40%，KCs的区域性吞噬异质性消失（图2A）。这一现象在不同粒径（0.13至1.3 μm）的多种合成载体及病毒载体中均得到验证（图2A-C）。通过粪菌移植（FMT）重建微生物群后，KCs的吞噬活性恢复，肝脏清除功能回升。形态学分析显示，微生物群耗竭后KCs细胞体缩小、伪足减少，主成分分析（PCA）表明其形态特征发生显著改变，且与吞噬活性呈强相关性。为明确KCs活化是否依赖于直接感知微生物信号，研究团队利用细胞特异性基因敲除小鼠发现，KCs中Tlr4或Myd88的缺失并不影响其吞噬活性，而在肠上皮细胞（IECs）中特异性敲除上述基因（Vil1Cre-Tlr4^fl/fl和Vil1Cre-Myd88^fl/fl）则显著降低KCs对合成及病毒IDS的摄取，消除其区域性吞噬差异，并延长IDS循环时间、增强肿瘤递送（图2D-J）。以上数据表明，KCs是肠道微生物群调节肝脏IDS清除的核心靶细胞，但其活化并非通过直接感应微生物信号，而是依赖于IECs介导的远程调控。

图2. IECs介导的微生物感知可调节肝脏IDS清除功能

4 肠上皮细胞将肠道微生物刺激传递给KCs
为明确何种细胞群体介导肠道微生物信号向Kupffer细胞（KCs）的传递，研究团队利用多种Cre驱动小鼠品系，在血管内皮细胞、髓系细胞、肝细胞、B细胞及肠上皮细胞（IECs）中分别条件性敲除Tlr4或Myd88基因。结果显示，仅在IECs中缺失该信号通路（Vil1Cre-Tlr4^fl/fl和Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠）即可显著降低KCs对合成及病毒载体的摄取，效果与全身敲除小鼠相当（图2D-F）。形态学分析表明，Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠的门静脉周围KCs（PT-KCs）与中央静脉周围KCs（CV-KCs）发生明显形态改变，主成分分析（PCA）显示其形态特征空间出现独特偏移，提示功能状态转换（图2G-H）。此外，IECs中Myd88缺失并未改变肠道微生物组成或肠道免疫激活状态，排除了间接干扰因素的影响。功能层面，Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠中KCs对纳米颗粒的摄取减少，伴随IDS循环时间延长及肿瘤递送效率提高，并显著增强了Doxil化疗在MC38肿瘤模型中的疗效（图2I-L）。以上数据表明，肠上皮细胞是肠道微生物群与肝脏KCs之间通讯的关键枢纽，其TLR4-MyD88信号将微生物刺激远程传递至肝脏，调控KCs的吞噬功能。

5 肠上皮细胞来源的血清素将微生物刺激传递给KCs
为探究肠上皮细胞（IECs）如何将微生物信号远程传递至肝脏Kupffer细胞（KCs），研究团队首先收集了IECs来源的35种代谢物，筛选其对KC吞噬活性的影响。结果显示，血清素显著增强了分离KCs对纳米颗粒的摄取（图3A）。与对照组相比，抗生素处理或Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠门静脉血中血清素浓度显著降低，肝脏中血清素免疫反应性亦减弱（图3B-D）。在Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠中补充血清素可恢复KCs的尺寸与吞噬活性（图3E）。进一步分析色氨酸代谢通路发现，仅血清素及其直接前体5-羟色氨酸（5-HTP）能恢复KC吞噬功能，而色氨酸、犬尿氨酸及5-羟基吲哚乙酸无此效应（图3F-G）。在色氨酸羟化酶1（TPH1）敲除小鼠中，外周血清素合成缺陷导致KC吞噬活性及细胞尺寸显著降低，补充血清素则可逆转这一表型（图3H-I）。机制层面，Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠结肠中色氨酸转运体ATB^0,+及血清素合成限速酶TPH1表达下调，而降解酶SERT与MAO-A表达上调（图3J）。以上数据表明，IECs中MyD88信号通过促进色氨酸摄取、增强血清素合成、抑制血清素降解，提高局部及全身血清素水平，进而远程激活KC吞噬功能（图3K）。
 

图3. IEC源性5-羟色胺向Kupffer细胞（KCs）传递微生物刺激信号

6 血清素通过HTR2c和HTR7信号通路激活KCs
为明确Kupffer细胞（KCs）感知血清素的具体受体，研究团队首先通过qPCR及免疫荧光染色筛选了KCs上表达的血清素受体（HTRs），检测到Htr2a、Htr2b、Htr2c和Htr7的表达。利用不同HTR亚型特异性激动剂处理Vil1Cre-Myd88^fl/fl小鼠，结果显示HTR2及HTR7激动剂可恢复KCs对纳米颗粒的摄取，而HTR1或HTR3激动剂无效（图4A-B）。进一步通过基因敲除小鼠验证发现，HTR2c^-/-或HTR7^-/-小鼠的KC吞噬活性显著降低，而HTR2a^-/-或HTR2b^-/-小鼠则无明显变化（图4C-D）。为探究下游信号机制，研究团队检测到血清素处理可增强原代KCs中ERK的磷酸化水平；使用ERK抑制剂（ERKi）共同处理则完全阻断血清素诱导的KC吞噬活性增加及伪足形成（图4E-I）。同时，血清素促进F-肌动蛋白聚合，该效应同样可被ERKi消除（图4J-K）。RNA测序分析显示，血清素处理后KCs中与吞噬作用和髓系白细胞激活相关的基因集显著富集，多个清道夫受体、Fc受体及吞噬相关基因（如Marco、Cd36、Fcgr1、Trem2等）表达上调（图4L-M）。以上数据表明，血清素通过KCs上的HTR2c/7受体激活ERK信号通路，促进细胞骨架重塑及吞噬相关基因表达，从而增强KCs对多种IDS的摄取能力（图4N）。

图4. 血清素通过HTR2c/7-ERK信号通路激活KC吞噬活性

7 调节血清素信号通路增强IDS的体内递送和疗效
为探究靶向血清素信号通路能否改善体内递送系统（IDS）的递送效率及治疗效果，研究团队首先采用药理学阻断策略，在无特定病原体（SPF）小鼠中联合给予HTR2c拮抗剂利坦色林与HTR7拮抗剂AVN-101（合称HTR拮抗剂混合物）。结果显示，该处理协同降低了库普弗细胞（KCs）对纳米颗粒的摄取，延长了纳米颗粒的血液循环时间，并使其在MC38肿瘤中的蓄积量显著增加（图5A-E）。在疗效层面，HTR拮抗剂混合物联合Doxil化疗显著缩小了MC38肿瘤体积并延长了小鼠生存期；联合溶瘤腺病毒（OAs）治疗亦显著增强了B16F10黑色素瘤模型的抗肿瘤效果，即使对晚期肿瘤同样有效（图5F-I）。在TPH1^-/-小鼠中，该混合物未进一步增效，证实其作用依赖于血清素通路。研究团队进一步采用饮食干预策略，通过短期无色氨酸（Trp）饮食将血清素浓度降至对照水平的约25%，可逆性地抑制了KCs吞噬活性，且未改变肠道微生物组成（图5J）。无Trp饮食显著提高了聚合物纳米颗粒、脂质纳米颗粒及腺病毒在肿瘤中的蓄积（图5K），并增强了Doxil化疗、mPTEN@LNPs蛋白替代疗法及OAs溶瘤病毒疗法的抗肿瘤效果（图5L-O）。相关性分析显示，血清素浓度与OAs治疗小鼠的总生存期呈显著负相关（图5P）。以上数据表明，通过药理学阻断HTR2c/7或饮食限制色氨酸来抑制血清素信号，可有效减轻肝脏对IDS的非特异性清除，显著提升多种IDS的体内递送效率及基于IDS的癌症与基因治疗效果。

图5. 阻断血清素受体或限制膳食色氨酸（Trp）可提高多种临床相关IDS疗法的疗效

总的来说，该研究揭示了肠道菌群调控体内递送系统（IDS）效率的关键机制：共生菌经MyD88信号诱导肠上皮细胞产生血清素，血清素作用于肝脏库普弗细胞的HTR2c/7受体，激活ERK通路并增强吞噬，维持肝脏对IDS的高强度清除。使用血清素受体拮抗剂或短期色氨酸限制饮食，即可可逆地抑制该通路，显著减少肝脏对纳米药物和病毒载体的非特异性摄取。该工作深化了对递送载体清除机制的认识，突破了非特异性清除瓶颈，推动该领域由“材料优化”向“系统调控”范式转变。
 

图6. 研究模式图

关于我们
上海南方模式生物科技股份有限公司（Shanghai Model Organisms Center, Inc.，简称"南模生物"），成立于2000年9月，是一家上交所科创板上市高科技生物公司（股票代码：688265），始终以编辑基因、解码生命为己任，专注于模式生物领域，打造了以基因修饰动物模型研发为核心，涵盖多物种模型构建、饲养繁育、表型分析、药物临床前评价等多个技术平台，致力于为全球高校、科研院所、制药企业等客户提供全方位、一体化的基因修饰动物模型产品解决方案。