腸道微生物是近年來(lái)新興的熱門(mén)研究領(lǐng)域,它與人類疾病健康存在著密切的關(guān)系。伴隨高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,研究者們發(fā)現(xiàn)了腸道微生物在疾病的診斷與治療中的潛力。合成生物學(xué)通過(guò)設(shè)計(jì)編輯工具以及反饋回路,可以構(gòu)建具有診斷疾病或者靶向治療疾病的腸道微生物工程菌株。這些工程菌能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行感知、計(jì)算和反饋。本文概述了改造后的腸道微生物在疾病診斷與治療中的應(yīng)用,同時(shí)闡述了目前改造后腸道微生物的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀,并對(duì)"工具短缺"以及目前改造后腸道微生物所存在的安全性等問(wèn)題進(jìn)行了討論。 

【文章來(lái)源】：生物工程學(xué)報(bào). 2019,35(12)北大核心

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【部分圖文】：

改造腸道微生物對(duì)疾病進(jìn)行診斷與治療(工程菌內(nèi)基因回路由感應(yīng)元件、基因元件以及報(bào)告元件三部分組成。在接收到體外信號(hào)后，通過(guò)體內(nèi)基因回路計(jì)算操控工程菌的行為，表達(dá)報(bào)告因子用以診斷，治療因子用以治療，毒性因子用以殺死病原菌)

癌細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖速度很快，需要大量的葡萄糖提供能量。葡萄糖通過(guò)影響腫瘤的生長(zhǎng)及代謝從而影響腫瘤的趨向性[40]。葡萄糖的濃度代表腫瘤的生存能力。癌細(xì)胞選擇有氧糖酵解作為葡萄糖代謝的主要方式[41]。Panteli等設(shè)計(jì)了一個(gè)葡萄糖敏感細(xì)菌，細(xì)菌體內(nèi)含Trz1葡萄糖受體，該受體與腫瘤微環(huán)境中的糖結(jié)合時(shí)，觸發(fā)體內(nèi)綠色熒光蛋白(Green fluorescent protein,GFP)的表達(dá)[42](圖2)，利用熒光信號(hào)來(lái)實(shí)時(shí)反映出腫瘤的生存能力。該實(shí)驗(yàn)將Trz1受體的葡萄糖傳感能力與細(xì)菌的腫瘤靶向能力結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步還可以通過(guò)不同的局部微環(huán)境將重組蛋白藥物直接遞送到腫瘤的不同區(qū)域，達(dá)到靶向治療的效果。Bonnet等利用類似原理檢測(cè)到了糖尿病人尿液中的糖類成分，用于糖尿病檢測(cè)[30]。細(xì)菌具有定植于腫瘤的傾向性，Bhatia實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種利用細(xì)菌對(duì)肝轉(zhuǎn)移進(jìn)行檢測(cè)的改造腸道微生物；他們證實(shí)了構(gòu)建的微生物EcN能夠在腫瘤內(nèi)富集，其細(xì)菌濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常細(xì)胞，改造后的EcN在腫瘤細(xì)胞定植后，會(huì)大量表達(dá)LacZ蛋白，該蛋白可將一個(gè)底物切割成可以在尿液中檢測(cè)到的小分子，從而達(dá)到無(wú)創(chuàng)檢測(cè)腫瘤的目的[43]。合成生物學(xué)還能夠?yàn)榧膊〉臋z測(cè)提供記錄裝置。哥倫比亞大學(xué)Wang實(shí)驗(yàn)室結(jié)合CRISPR/Cas編輯技術(shù)，通過(guò)CRISPR在不同時(shí)間段的spacer插入位點(diǎn)來(lái)記錄這些細(xì)菌與腸道內(nèi)環(huán)境發(fā)生相互作用的時(shí)間[44]。這一系統(tǒng)可用來(lái)監(jiān)測(cè)炎癥、感染以及癌癥等疾病的發(fā)展，同時(shí)可提高疾病檢測(cè)的時(shí)效性。在檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)方面，盧冠達(dá)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)結(jié)合傳感器構(gòu)建了“細(xì)菌藥丸”，細(xì)菌在檢測(cè)到胃部出血時(shí)會(huì)發(fā)出熒光信號(hào)，傳感器接受到熒光信號(hào)后，通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備上，從而實(shí)現(xiàn)在不取出糞便的情況下實(shí)時(shí)檢測(cè)胃腸道內(nèi)的疾病[45]，極大地降低了疾病檢測(cè)的難度。這些工具也為后續(xù)研究利用腸道微生物對(duì)疾病檢測(cè)和診斷的技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

志賀氏菌病是一種急性腸侵襲性疾病，全世界有數(shù)百萬(wàn)人感染。以乳酸乳球菌作為疫苗載體，傳遞保守的抗原蛋白粘膜外膜蛋白A(OmpA)，能夠有效誘導(dǎo)全身以及粘膜免疫[58]。Paton等設(shè)計(jì)了可與毒素結(jié)合的益生菌以預(yù)防和治療腸毒素大腸桿菌引起的腹瀉[59]。類似的益生菌也可與腸道受體競(jìng)爭(zhēng)，結(jié)合霍亂毒素從而預(yù)防感染霍亂[60]。利用細(xì)菌的群體感應(yīng)分子使工程化細(xì)菌識(shí)別并抑制致病菌是目前的研究熱點(diǎn)。綠膿桿菌是常見(jiàn)的條件致病菌，Gupta和Hwang先后改造Escherichia coli用以消滅綠膿桿菌。前者在大腸桿菌中設(shè)計(jì)了一個(gè)感應(yīng)綠膿桿菌分泌AHL蛋白的回路，當(dāng)該蛋白濃度達(dá)到一定量時(shí)即可啟動(dòng)工程菌表達(dá)Copy蛋白從而抑制綠膿桿菌的生長(zhǎng)。后者在此基礎(chǔ)上添加了動(dòng)力蛋白CheZ，使得大腸桿菌在感應(yīng)到AHL蛋白過(guò)量表達(dá)時(shí)便遷移至綠膿桿菌附近，殺死綠膿桿菌[61-62]。Jayaraman等改造工程化大腸桿菌的群體感應(yīng)分子CAI-1，使其特異性地檢測(cè)霍亂弧菌，并通過(guò)表達(dá)裂解蛋白YebF-Art-085進(jìn)行響應(yīng)，從而自我裂解以釋放殺傷蛋白Art-085達(dá)到殺死霍亂弧菌的目的[63]。4.4 免疫類疾病

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Fecal microbiota transplantation cured epilepsy in a case with Crohn’s disease: The first report[J]. Zhi He,Bo-Ta Cui,Ting Zhang,Pan Li,Chu-Yan Long,Guo-Zhong Ji,Fa-Ming Zhang.  World Journal of Gastroenterology. 2017(19)
[2]基于信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的功能細(xì)胞設(shè)計(jì)[J]. 鞠見(jiàn)齊,魏平.  生物工程學(xué)報(bào). 2017(03)
[3]role of the normal gut microbiota[J]. Sai Manasa Jandhyala,Rupjyoti Talukdar,Chivkula Subramanyam,Harish Vuyyuru,Mitnala Sasikala,D Nageshwar Reddy.  World Journal of Gastroenterology. 2015(29)



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