虽然炎症性肠病（IBD）主要表现在肠道，但目前用于治疗该疾病的药物却不够集中。苏黎世大学的合成生物学家Cauã Westmann表示：“现有药物的最大问题是它们具有全局效应。” Cauã Westmann是2022年UZurich IBD NanoBiotics国际基因工程机器（iGEM）团队的指导老师。iGEM团队由一组学生组成，每年参加合成生物学竞赛，构建生物系统以解决现实世界的问题。2022年的UZurich IBD NanoBiotics iGEM团队决定尝试找到一种更局部化的IBD治疗方法，通过工程化细菌来感知和响应肠道炎症，这是IBD的一个常见特征（1）。为此，他们专注于一个炎症标志物：一氧化氮（NO）。
Cauã Westmann是该研究的共同作者，担任UZurich IBD NanoBiotics iGEM团队的导师。他和他的团队选择了大肠杆菌Nissle 1917（EcN）作为他们的靶向IBD药物载体，因为这种益生菌已经作为肠道微生物组的一员被研究了一个多世纪。团队对EcN进行了工程化改造，使其包含三个协同工作的生物部件：一氧化氮传感器用于检测炎症，结合肿瘤坏死因子α（TNFα）的纳米抗体，以及一个分泌系统用于将纳米抗体排出细菌。由于TNFα是一种在IBD中起作用的促炎细胞因子，团队希望用纳米抗体将其捕获，从而减少炎症。团队首先分别表征每个组件，然后将它们组合在一起。首先，他们使用荧光报告基因评估了NO传感系统。接着，他们通过体外结合试验和基于细胞的试验测量了纳米抗体的活性，并将其与目前市场上用于治疗IBD的单克隆抗体阿达利姆单抗的活性进行了比较。结果发现，纳米抗体与TNFα的结合效果与阿达利姆单抗相当。为了验证其对细胞功能的影响，研究人员发现纳米抗体减少了暴露于TNFα的细胞中促炎细胞因子白细胞介素-1β的基因表达。最后，他们测试了所有组件的组合，发现工程化细菌能够根据NO浓度产生并分泌纳米抗体。
“我们组合了已有的不同模块……并在新的背景下对其进行了表征，”Westmann说。除了设计电路外，团队还开发了一个数学模型来分析工程化细菌与发炎组织之间的相互作用。该模型利用先前文献中的数据，分析了NO浓度、细菌数量、TNFα生成量以及纳米抗体与TNFα结合程度等参数，以预测其在肠道中的行为。“这个模型非常简单。合成生物学中有复杂的数学模型，但在肠道定植和纳米抗体及一氧化氮扩散的具体主题上，还没有相关的模型，”Westmann说。
牛津大学的合成生物学家Wei Huang此前在EcN中开发了一种一氧化氮生物传感器，他表示：“这是一篇非常好的论文，很好地展示了如何应用基因电路生物传感器来响应疾病标志物并释放纳米抗体以治疗疾病。”他还补充道：“这是一个非常好的合成生物学展示。”马萨诸塞州总医院的另一个研究小组最近也在小鼠中使用了一种内源性肠道细菌来产生纳米抗体（3）。尽管这种细菌一直表达纳米抗体，但团队观察到肠道炎症有所减轻。
Westmann的团队尚未在活体内测试其系统。虽然他认为工程化益生菌可能还需要一段时间才能上市，但他对这种药物递送系统的未来充满希望。
参考文献
- Weibel, N. 等. 在大肠杆菌Nissle 1917中工程化新型益生菌工具包以感知和缓解肠道炎症性疾病。ACS Synth Biol 13, 2376-2390 (2024).
- Chen, X. 等. 大肠杆菌Nissle 1917和迷你SimCells中一氧化氮生物传感器的理性设计和表征。ACS Synth Biol 10, 2566-2578 (2021).
- Lynch, J. 等. 工程化大肠杆菌用于肠道内原位分泌治疗性纳米抗体。Cell Host Microbe 31, 634-649 (2023).
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