活細菌療法(Live bacterial therapeutics,LBT)可以通過植入腸道并在宿主體內提供持久的有益功能來逆轉疾病，尤其是包括肥胖癥、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝等在內的慢性疾病，還可以被設計為表達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的一個關鍵步驟是選擇微生物底盤，以感知環境、調節基因表達和生產治療產品。但當前的LBT底盤(如大腸桿菌Nissle 1917、擬桿菌屬、乳桿菌屬)無法在腸腔環境中移植并存活，難以定位到特定區域如近端腸道，因此功能傳遞并不可靠。因而適當的底盤選擇目前仍是將合成生物學應用轉化為人類疾病的重大障礙。
LBT在管腔環境中的生存面臨許多挑戰，包括來自宿主(如蠕動、先天和適應性免疫)和其他天然微生物(如競爭、生態位可用性)。從理論上講，“原住民”微生物已經最大限度地適應了宿主腸腔環境，繞過了幾乎所有的植入障礙，使其成為轉基因傳遞的理想底盤，但它們又難以培養和修飾。
2022年8月4日，來自加州大學圣地亞哥分校的Amir Zarrinpar團隊在Cell雜志上發表了一篇題為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物中分離的天然大腸桿菌被修飾以表達功能基因，重新引入這些菌株會在腸道中穩定定植并持續表達。這種工程化的大腸桿菌可以在給藥數月后誘導影響宿主生理和逆轉宿主病理的功能變化。因此，使用原住細菌作為“敲入”特定功能的底盤，可以對宿主中特定微生物活動進行研究，并實現具有治療目的的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，通過噬菌體轉導將與卡那霉素抗性相關的GFP引入EcAZ-1，以產生可追蹤的細菌 EcAZ-2。隨后對其進行工程改造生成兩種不同的工程化細菌：EcAZ-2 BSH+(膽汁鹽水解酶)和EcAZ-2 IL10+。接下來，作者對未經抗生素處理的C57BL/6 小鼠中進行灌胃以評估候選底盤穩定定殖小鼠腸道的能力，EcAZ-2在全部小鼠中穩定維持定植超過110天。隨后，作者通過培養胃腸道以確定腸道各個區域的細菌定植程度，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菌分離物均能檢測到BSH和IL-10，說明EcAZ-2可以長期穩定和持續地定植于宿主，同時保留插入基因功能。
在證明原生細菌在遺傳上易于處理并且可以持續定植于近端腸道和結腸后，作者以BSH菌株為例進一步評估了EcAZ-2底盤傳遞的轉基因是否可以在功能上操縱宿主腸腔環境。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，包括葡萄糖、脂質和膽汁酸穩態，以及免疫/炎癥和產熱，增加的BSH活性會影響所有這些不同的膽汁酸池。作者發現與用 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合膽汁酸等。那么管腔內膽汁酸的變化是否會導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，盡管誘導了腔內代謝組的變化，但工程化的天然細菌并未誘導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，于是測量了循環膽汁酸的這些差異對肝臟基因表達的影響，重點關注對膽汁酸代謝重要的基因。結果顯示Fxr、Shp和Cyp27a1的表達增加，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行轉基因遞送會影響血清代謝組、腸外(例如肝)基因表達、宿主生理學，并在單次給藥后數月改善疾病。
最后，為了確定工程化的天然細菌策略是否可以轉化為人類，作者從接受常規門診內窺鏡檢查的志愿者的胃腸道多個區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、通過轉導的易處理性等。盡管遺傳易處理，但仍需要進一步的研究來確定工程化天然細菌的自體轉移是否可以導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，以提高利用工程細菌有效改變宿主生理機能的能力。通過將該技術與天然菌株相結合，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的生理變化、病理表型的逆轉、持續的代謝變化等。如果工程化的天然細菌策略成功開發并轉化為人類，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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