作者：白晓悦、张勇
活菌疗法是指将益生菌或工程菌引入宿主肠道，以达到恢复宿主肠道菌群健康和改善疾病进程的目标。工程化活细菌疗法 (LBT)是指将经过基因工程改造的细菌引入宿主肠道。许多慢性人类疾病因其具有长期症状，可作为活菌疗法的主要研究对象，包括肥胖、非酒精性脂肪肝、2型糖尿病、动脉粥样硬化、多囊卵巢综合征、炎症性肠病和癌症等。但活菌疗法的障碍在于引入的外源细菌难以在宿主肠道中竞争过肠道“原住民”细菌，以至引入的工程化细菌无法存活足够长的时间来表达所需的基因组信号以及发挥其有益功能。
2022年8月4日，来自加州大学圣地亚哥分校的Zarrinpar在Cell上发表题为“Intestinal transgene delivery with native E. coli chassis allows persistent physiological changes”的文章，该文章提出用宿主肠道天然细菌作为工程化活菌疗法进行基因改造的微生物（底盘），引入宿主肠道后可在宿主肠道稳定定殖并保留其基因表达的功能，从而诱导代谢组学变化，改善宿主病理生理状况。
工程化 LBT 的一个关键步骤是选择微生物宿主有机体（底盘），当前的 LBT 底盘不能在肠腔环境中稳定移植甚至存活。已发表的使用工程 LBT 的人体试验虽然安全但效果并不理想，不适应宿主肠道环境的益生菌菌株无法轻易与数千代适应其特定管腔生态位的微生物竞争，因此，本文作者使用原生细菌作为“敲入”特定功能的底盘，对常规饲养（CR）的宿主微生物组中的特定微生物活动进行研究，使具有治疗目的的 LBT肠道微生物能够在宿主肠道内长效定殖，从而感知和调节宿主腔内环境。
图1 肠道天然大肠杆菌在基因上易于处理，可作为转基因传递的底盘
作者首先从宿主中鉴定出一种遗传易处理的原生细菌菌株EcAZ-1，通过噬菌体转导将与卡那霉素抗性连接的绿色荧光蛋白 (GFP) 引入 EcAZ-1生成 EcAZ-2，随后将其改造两种不同的工程化原生细菌。第一个是 EcAZ-2BSH+，表达胆汁盐水解酶（BSH），这是一种导致特定胆汁酸生物转化的细菌基因；第二个是 EcAZ-2IL10+，表达哺乳动物的抗炎细胞因子 IL-10（图1）。随后将其灌胃，发现与将实验室驯化的细菌底盘（即大肠杆菌 MG1655 和大肠杆菌 Nissle 1917）相比，EcAZ-2可以稳定地维持定殖超过 110 天，并且保留了转基因活性。除此之外，作者培养了胃肠道组织（即十二指肠、空肠、回肠、盲肠和直肠）以确定肠道各个区域的细菌定植程度。与已报道的工程化非天然大肠杆菌相比，EcAZ-2 定植于近端肠道/小肠，BSH 菌株在盲肠和回肠的定植率最高，并且 IL-10 菌株的盲肠和空肠（图2）。
图2 工程化的原生大肠杆菌可以在管腔环境中移植
随后作者为了验证其能否在肠腔中发挥功能，将 EcAZ-2 或 EcAZ-2BSH+ 灌胃到 11 周大的 CR-WT 小鼠中。单次口服给药后12周，收集粪便样本并分析胆汁酸。结果表明用 EcAZ-2BSH+ 定殖的CR小鼠的总粪便胆汁酸水平明显高于用 EcAZ-2 定殖的 CR 小鼠。此外，与用 EcAZ-2 治疗的小鼠相比，用 EcAZ-2BSH+ 灌胃的 CR 小鼠减少了初级粪便胆汁酸和初级共轭胆汁酸，与 EcAZ-2 对照相比，EcAZ-2BSH+ 处理的小鼠的初级未结合胆汁酸也显着降低。这些粪便胆汁酸数据证实 BSH 在体内发挥了功能（图3）。此外，他们证明天然大肠杆菌作为工程菌底盘，可以在CR-WT小鼠单次灌胃后至少12周在腔内表达功能。有趣的是，尽管诱导了腔内代谢组的变化，但在这种情况下，工程化的天然细菌并未诱导肠道微生物组的组成变化。
图3 天然大肠杆菌可用于改变 luminal 代谢组，而不会对微生物组产生可测量的影响
总而言之，本篇文章通过将现有技术与天然菌株相结合，证明了源自宿主的未驯化的大肠杆菌可用作将特定功能敲入肠道微生物组的底盘，其优势在于一次灌胃后可以稳定定殖数月，并能按照预期改变特定的腔内代谢物，从而使大多数实验室无需先进的合成生物学经验即可对肠道微生物组进行机制研究。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.06.050
