活細(xì)菌療法(Live bacterial therapeutics,LBT)可以通過植入腸道并在宿主體內(nèi)提供持久的有益功能來逆轉(zhuǎn)疾病，尤其是包括肥胖癥、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝等在內(nèi)的慢性疾病，還可以被設(shè)計為表達(dá)解決單基因先天性代謝錯誤(例如苯丙酮尿癥患者的苯丙氨酸代謝)的功能。工程化LBT的一個關(guān)鍵步驟是選擇微生物底盤，以感知環(huán)境、調(diào)節(jié)基因表達(dá)和生產(chǎn)治療產(chǎn)品。但當(dāng)前的LBT底盤(如大腸桿菌Nissle 1917、擬桿菌屬、乳桿菌屬)無法在腸腔環(huán)境中移植并存活，難以定位到特定區(qū)域如近端腸道，因此功能傳遞并不可靠。因而適當(dāng)?shù)牡妆P選擇目前仍是將合成生物學(xué)應(yīng)用轉(zhuǎn)化為人類疾病的重大障礙。

　　LBT在管腔環(huán)境中的生存面臨許多挑戰(zhàn)，包括來自宿主(如蠕動、先天和適應(yīng)性免疫)和其他天然微生物(如競爭、生態(tài)位可用性)。從理論上講，“原住民”微生物已經(jīng)最大限度地適應(yīng)了宿主腸腔環(huán)境，繞過了幾乎所有的植入障礙，使其成為轉(zhuǎn)基因傳遞的理想底盤，但它們又難以培養(yǎng)和修飾。

　　2022年8月4日，來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的Amir Zarrinpar團(tuán)隊在Cell雜志上發(fā)表了一篇題為Intestinal Transgene Delivery with Native E. coli Chassis Allows Persistent Physiological Changes的文章，他們證明從小鼠糞便培養(yǎng)物中分離的天然大腸桿菌被修飾以表達(dá)功能基因，重新引入這些菌株會在腸道中穩(wěn)定定植并持續(xù)表達(dá)。這種工程化的大腸桿菌可以在給藥數(shù)月后誘導(dǎo)影響宿主生理和逆轉(zhuǎn)宿主病理的功能變化。因此，使用原住細(xì)菌作為“敲入”特定功能的底盤，可以對宿主中特定微生物活動進(jìn)行研究，并實現(xiàn)具有治療目的的LBT。

　　在本研究中，作者使用了一種天然大腸桿菌EcAZ-1，即一種從杰克遜實驗室(Bar Harbor, ME)獲得的CR-WT C57BL/6雄性小鼠糞便中分離出來的菌株，通過噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)將與卡那霉素抗性相關(guān)的GFP引入EcAZ-1，以產(chǎn)生可追蹤的細(xì)菌 EcAZ-2。隨后對其進(jìn)行工程改造生成兩種不同的工程化細(xì)菌：EcAZ-2 BSH+(膽汁鹽水解酶)和EcAZ-2 IL10+。接下來，作者對未經(jīng)抗生素處理的C57BL/6 小鼠中進(jìn)行灌胃以評估候選底盤穩(wěn)定定殖小鼠腸道的能力，EcAZ-2在全部小鼠中穩(wěn)定維持定植超過110天。隨后，作者通過培養(yǎng)胃腸道以確定腸道各個區(qū)域的細(xì)菌定植程度，與已報道的工程化非天然大腸桿菌相比，EcAZ-2定植于近端腸道/小腸，其中，BSH菌株在盲腸和回腸中的定植最高，而IL-10菌株在盲腸和空腸中的定植最高。此外，從兩種小鼠獲得的細(xì)菌分離物均能檢測到BSH和IL-10，說明EcAZ-2可以長期穩(wěn)定和持續(xù)地定植于宿主，同時保留插入基因功能。

　　在證明原生細(xì)菌在遺傳上易于處理并且可以持續(xù)定植于近端腸道和結(jié)腸后，作者以BSH菌株為例進(jìn)一步評估了EcAZ-2底盤傳遞的轉(zhuǎn)基因是否可以在功能上操縱宿主腸腔環(huán)境。研究表明由BSH活性引起的膽汁酸變化會影響多種代謝系統(tǒng)，包括葡萄糖、脂質(zhì)和膽汁酸穩(wěn)態(tài)，以及免疫/炎癥和產(chǎn)熱，增加的BSH活性會影響所有這些不同的膽汁酸池。作者發(fā)現(xiàn)與用 EcAZ-2 定植的小鼠相比，用EcAZ-2 BSH+定植的小鼠具有顯著更高的總糞便膽汁酸水平。此外，與用EcAZ-2處理的小鼠相比，用 EcAZ-2 BSH+灌胃的小鼠減少了初級糞便膽汁酸和初級結(jié)合膽汁酸等。那么管腔內(nèi)膽汁酸的變化是否會導(dǎo)致腸道微生物組組成的整體變化呢?微生物組分析表明兩組在任何微生物組測量中沒有可檢測到的差異。因此，盡管誘導(dǎo)了腔內(nèi)代謝組的變化，但工程化的天然細(xì)菌并未誘導(dǎo)腸道微生物組的組成變化。

　　接下來，作者想知道EcAZ-2 BSH+定植是否會影響宿主生理，于是測量了循環(huán)膽汁酸的這些差異對肝臟基因表達(dá)的影響，重點關(guān)注對膽汁酸代謝重要的基因。結(jié)果顯示Fxr、Shp和Cyp27a1的表達(dá)增加，這與通過替代途徑增加的膽汁酸生物合成一致，可能是為了減輕 EcAZ2 BSH+定植的小鼠糞便中膽汁酸的較高排泄。這表明通過工程化的天然細(xì)菌將單個基因添加到微生物組中可以顯著改變宿主生理。為了確定是否可以使用天然大腸桿菌底盤的轉(zhuǎn)基因遞送來改善疾病，作者研究了EcAZ-2 BSH+ 在2型糖尿病遺傳模型Ob/Ob小鼠中的作用。盡管體重相同，但在3個多月前接受工程化天然細(xì)菌的單次治療后，與對照組相比，定植EcAZ-2 BSH+的Ob/Ob小鼠的胰島素敏感性顯著改善。因此，這些實驗表明，使用天然大腸桿菌進(jìn)行轉(zhuǎn)基因遞送會影響血清代謝組、腸外(例如肝)基因表達(dá)、宿主生理學(xué)，并在單次給藥后數(shù)月改善疾病。

　　最后，為了確定工程化的天然細(xì)菌策略是否可以轉(zhuǎn)化為人類，作者從接受常規(guī)門診內(nèi)窺鏡檢查的志愿者的胃腸道多個區(qū)域的活檢中分離出大腸桿菌菌株，并評估了九種分離菌株的抗生素敏感性、通過轉(zhuǎn)導(dǎo)的易處理性等。盡管遺傳易處理，但仍需要進(jìn)一步的研究來確定工程化天然細(xì)菌的自體轉(zhuǎn)移是否可以導(dǎo)致人類宿主的長期定植和長期慢性病和遺傳疾病的治療。

　　總之，這項工作展示了一種簡單的、幾乎任何實驗室都可以完成的技術(shù)，以提高利用工程細(xì)菌有效改變宿主生理機能的能力。通過將該技術(shù)與天然菌株相結(jié)合，證明了來自宿主的大腸桿菌可以用作底盤，將特定功能敲入腸道微生物組，單次植入后即可引起持續(xù)的生理變化、病理表型的逆轉(zhuǎn)、持續(xù)的代謝變化等。如果工程化的天然細(xì)菌策略成功開發(fā)并轉(zhuǎn)化為人類，它就有可能引入新的治療性生物治療藥物，從而在不依賴患者依從性的情況下改善慢性病的治療。

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　　https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00843-1

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