溃疡性结肠炎（UC）是一种炎症性肠病，主要表现为腹泻、粘液或血便，患者在长期病程中，结直肠癌的发病风险会显著增加。目前，临床上常使用氨基水杨酸盐和类固醇治疗UC，但约30%的患者对氨基水杨酸盐反应不佳或产生耐受，而类固醇的长期使用可能导致严重的副作用。因此，迫切需要寻找更为有效且副作用较小的治疗方案。肠道微生态失衡和氧化应激被认为是UC的主要致病因素，益生菌由于其在调节肠道微生态及清除活性氧方面的双重作用，已广泛应用于UC的治疗。然而，由于胃肠道环境的复杂性和不利条件，益生菌在肠道内的定植及存活率较低，限制了其治疗效果。因此，针对性地改造益生菌以增强其对胃肠环境的耐受力及对活性氧（ROS）的清除功能，对于提升UC治疗效果具有重要意义。
2024年8月27日，中国科学院过程工程研究所魏炜、马光辉以及北京大学崔一民团队在Cell Host & Microbe（IF2023=20.6）期刊上发表了题为“Engineered probiotic ameliorates ulcerative colitis
by restoring gut microbiota and redox homeostasis”的研究论文。该研究通过诱导干酪乳杆菌（Lactobacillus casei, Lac）形成胞外膜，并将超小型高活性硒点（Se）包埋于干酪乳杆菌胞外膜空间结晶的多糖网络中，显著提升了Lac在胃肠环境中的耐受性、结肠粘附能力及活性氧清除能力，在溃疡性结肠炎（UC）的治疗领域展现出了极为可观的潜力。
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该研究通过机器学习（ML）模型揭示了UC患者中乳杆菌属在众多缺失益生菌中权重最高，同时基于生物信息学发现病灶部位氧化应激的升高覆盖所有细胞类型。进一步收集临床样本，证实了上述结果。基于此，作者通过诱导干酪乳杆菌形成胞外膜并嵌入高活性硒点，开发出一种针对UC的工程化益生菌（Se-fLac工程菌株）。进一步构建小鼠和非人灵长类动物模型，通过结肠长度、炎症细胞比例、炎症因子水平等多维度证明了Se-fLac对 UC症状的改善效果。研究者从GMrepo宏基因组公共数据库中收集并分析了测序数据，筛选出差异菌群，发现乳杆菌属有助于恢复UC患者的肠道微生态。同时，作者对公开转录组数据（GSE193677）进行生信分析，发现UC患者结肠细胞中的氧化应激信号活性升高。临床实验结果进一步确证UC患者乳杆菌属丰度低于健康对照，而氧化应激标志物8-OHdG水平升高（Fig.1）。![]()
Fig.1 收集和挖掘UC队列数据以寻找UC治疗靶标
基于上述研究发现，研究者开发了一种既能耐受胃肠道恶劣环境又能有效清除肠道活性氧的工程菌株。研究团队选用了干酪乳杆菌（Lactobacillus casei，L. casei）作为底盘菌株，并通过营养缺乏培养诱导其形成胞外膜（fLac），随后将高活性的硒点嵌入到该胞外膜的羟基配体介导的多糖网络中。值得注意的是，以上改造过程对L. casei的生长活性未产生显著影响，并且构建完成的Se-fLac工程菌株在清除多种自由基方面的能力显著增强。（Fig.2）。![]()
Fig.2 Se-fLac工程菌株的制备与表征
研究团队通过体外模拟胃液和体内耐酸实验证实胞外膜显著增强了Se-fLac工程菌株对于胃酸的耐受力。石英晶体微天平（QCM）分析和结肠翻转囊共孵育实验结果显示，工程化改造显著提升了Se-fLac工程菌株的肠道粘附能力，并且Se-fLac工程菌株主要粘附于小鼠的结肠部位。（Fig.3）。研究团队采用转基因干扰素-γ（IFN-γ）生物发光报告小鼠，利用DSS诱导UC模型。结果显示，Se-fLac治疗显著减轻了小鼠结肠炎症水平。另外在使用BALB/c小鼠所构建的UC模型中，Se-fLac治疗缓解了小鼠的体重减轻，改善了粪便隐血情况，同时减轻了DSS所诱导的结肠损害。Fig.4 Se-fLac工程菌株对DSS诱导的结肠炎小鼠模型的治疗作用
研究团队通过流式细胞术和ELISA实验进一步验证了Se-fLac工程菌在改善UC小鼠模型结肠炎症方面的作用机制。结果显示Se-fLac治疗后，IL-1b、 IL-6在内的五种促炎细胞因子以及TH17细胞和巨噬细胞的水平显著下调、而抗炎细胞因子IL-10和Treg细胞的水平则显著下上调。转录组测序和代谢组学分析结果显示，Se-fLac工程菌主要是通过减少结肠部位活性氧（ROS）的产生，并抑制ROS介导的炎症反应，从而发挥治疗作用。![]()
Fig.5 Se-fLac工程菌株通过减轻炎症和氧化应激缓解UC
Se-fLac工程菌协同调控肠道菌群与肠道氧化还原稳态
研究者进一步探讨了Se-fLac工程菌对小鼠肠道菌群的影响。16S高通量测序结果表明，Se-fLac治疗显著改善了溃疡性结肠炎小鼠的α多样性和β多样性。物种分析结果显示，Se-fLac治疗组的菌群结构在属水平上与健康对照组更为接近，且益生菌属（如乳杆菌属）的相对丰度显著增加，而有害菌科（如肠杆菌科）的相对丰度则明显减少。这些结果表明，Se-fLac治疗可能通过调节肠道菌群的组成，发挥一定的保护作用。![]()
Fig.6 Se-fLac工程菌株调控肠道菌群缓解UC
Se-fLac工程菌在非人灵长类动物UC模型中表现出良好的疗效
研究者进一步在非人灵长类动物UC模型中评估了Se-fLac的治疗效果。与对照组相比，Se-fLac治疗组的粪便隐血试验变色时间恢复至健康组水平。此外，在属水平上，益生菌（如瘤胃球菌科）的丰度增加，而有害菌（如普雷沃氏菌科和毛螺菌科）的丰度减少。Se-fLac治疗还显著下调了肠道炎症因子和氧化应激相关因子的表达。以上结果表明，Se-fLac对非人灵长类动物UC模型同样具有显著的疗效。![]()
Fig.7 Se-fLac工程菌显著改善非人灵长类动物UC模型相关症状
本研究开发了一种针对溃疡性结肠炎（UC）的工程化益生菌疗法，主要通过诱导干酪乳杆菌形成胞外膜并嵌入高活性硒点，协同增强胃酸耐受性、肠粘膜粘附性、清除活性氧及调节肠道微生物群的能力，进而有效改善了小鼠和非人灵长类动物模型的溃疡性结肠炎症状。本研究为UC治疗提供了新的思路，为未来开发基于工程化益生菌的创新治疗方法提供了有力支持，具有广阔的应用前景。与此同时，该研究也有两个深层次问题值得我们思考或探究：1、目前临床上氨基水杨酸类药物和糖皮质激素是治疗UC的主要有效手段。在本文的疗效对比实验中，Se-fLac的治疗效果明显优于这两种临床常用药物，若能结合疗效评估标准以及Se-fLac的作用机制来进一步分析验证，似乎能使得结论更加科学严谨，可信度更加充分。2、多项基础及临床研究都证实了干酪乳杆菌对UC的改善作用，而本研究图6中干酪乳杆菌干预组小鼠的肠道菌群与模型组相比未表现出显著差异，这一结果与前人研究的发现存在一定的偏差，若研究者对这一现象作出恰当解释可能会使研究逻辑更全面及连贯。https://doi.org/10.1016/j.chom.2024.07.028
编辑：游杰 排版：邹婷婷 审核：杨庆玲
