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Jingle 2025-02-25 15:11 北京
在哺乳动物肠道内实现治疗性蛋白的原位表达与持续释放，为口服生物药的开发提供了突破性策略。
口服药物在穿越胃酸、消化酶及肠道菌群的“三重屏障”时，往往遭遇降解。根据公开消息，超过 90% 的生物大分子在抵达小肠前已失活，这迫使绝大多数生物药仍依赖注射给药，严重限制了临床应用。
近年来，科学家尝试将工程菌改造为“活体药物工厂”，直接在肠道内合成药物。然而，工程菌与土著菌群的定殖竞争、长期存活难题始终未解。
近日，美国弗吉尼亚理工大学Bryan B. Hsu 团队与李立武团队另辟蹊径，提出一项颠覆性策略，他们设计了一种噬菌体病毒，在感染肠道细菌的同时释放蛋白质类药物。相关成果以“Sustained in situ protein production and release in the mammalian gut by an engineered bacteriophage”为题发表于 Nature Biotechnology。
噬菌体是自然界中数量最多的生物实体，其生命周期具有高度定向性：感染宿主菌后，噬菌体 DNA 会劫持细菌的转录机器，启动自身基因的级联表达，最终通过裂解宿主释放子代噬菌体。研究团队敏锐捕捉到这一特性——若将治疗性蛋白基因嵌入噬菌体基因组，是否能在裂解过程中同步释放治疗分子？
为验证这一假设，团队选取 T4 噬菌体（靶向非致病性大肠杆菌）作为模型。首先，他们构建了携带超折叠绿色荧光蛋白（sfGFP）的工程化 T4 噬菌体（T4::sfGFP）。体外实验显示，感染后细菌裂解液中 sfGFP 荧光强度达 0.5–1.0 × 10⁶ AU/OD，较未感染组（7 × 10³ AU/OD）提升近千倍，证实噬菌体裂解可高效释放胞内蛋白。进一步，团队系统筛选了 T4 噬菌体的内源性启动子，发现晚期启动子 gp22 在维持噬菌体滴度或下降约 2 倍的同时，驱动 sfGFP 表达量最高。这种时空调控机制确保蛋白合成与噬菌体复制周期同步，为体内应用奠定了技术基础。
图 | 展示了噬菌体感染细菌后，能够将细胞内蛋白释放到细胞外环境
在小鼠模型中，研究人员通过抗生素预处理清除部分肠道菌群，并引入工程化大肠杆菌定殖后，口服 T4::sfGFP 噬菌体以评估其体内表达情况。实验结果表明，噬菌体在小鼠肠道内能够稳定定殖，粪便中噬菌体滴度维持在 10⁶–10⁸ PFU/g，并未引发菌群的显著紊乱。荧光显微镜观察发现，sfGFP 信号富集于肠道粘膜层，与粘蛋白标记物高度共定位，表明蛋白能够靶向作用于肠道屏障表面。单次给药后，sfGFP 信号可持续存在 4 天以上，突破了传统工程菌依赖长期定殖的技术瓶颈，证明噬菌体可通过周期性感染和裂解循环，在肠道局部形成“脉冲式”药物释放模式，为后续疾病治疗研究提供了有力支持。
在疾病治疗实验中，研究团队构建了 T4::serpin 和 T4::clpB 两种工程化噬菌体，并在炎症性肠病（IBD）和肥胖小鼠模型中测试其治疗效果。
针对 IBD，研究人员利用 T4::serpin 噬菌体在宿主菌中表达丝氨酸蛋白酶抑制剂 Serpin B1a，以抑制中性粒细胞弹性蛋白酶（NE）的活性。在葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎模型中，T4::serpin 治疗显著降低了粪便 NE 活性（下降 85%），结肠组织损伤评分减少 40%，同时结肠中性粒细胞表面抗炎标志物 CD24 表达上调 2.3 倍，提示炎症微环境向修复表型转化。
针对肥胖和代谢综合征，T4::clpB 噬菌体在肠道内表达 ClpB 蛋白，该蛋白因与促黑素细胞激素 α-MSH 的结构同源性，能够激活肠道内分泌细胞的 MC4R 受体，进而抑制食欲。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型中，T4::clpB 治疗使体重增幅减少 30%，食物摄入量下降 22%，血清促炎因子 IL-1β 和 IL-23 水平分别降低 64% 和 57%，并显著改善了肠道屏障功能。这些实验结果表明，工程化噬菌体不仅能够在肠道内持续产生治疗蛋白，还能在多个疾病模型中展现明显的生理效应，证明其在精准医疗中的应用潜力。
图 | T4::clpB 噬菌体能够减少食物摄入量和体重增加，并降低与肥胖相关的促炎细胞因子水平
相较于传统口服生物药，噬菌体递送系统具有独特优势。它能够直接在肠道局部释放蛋白，避免系统性分布导致的脱靶效应。噬菌体与宿主菌形成动态平衡，可按需释放蛋白，减少频繁给药需求。T4 噬菌体仅感染特定大肠杆菌，且无法侵染真核细胞，在初步毒理评估中未发现组织病理学异常。
然而，临床转化仍面临挑战，包括如何适应个体化菌群差异、优化蛋白表达效率以及长期使用对肠道生态的影响等。未来，结合合成生物学工具，噬菌体工程有望进一步拓展其应用范围，例如整合环境感应启动子，实现病理微环境下的精准释药，或搭载 CRISPR 系统，实现基因编辑和治疗蛋白递送的同步调控。此外，噬菌体递送策略不仅局限于肠道，还可拓展至呼吸道、皮肤等微生物生态系统，为哮喘、特应性皮炎等疾病提供新的治疗思路。
这一研究不仅为口服生物药开发提供了全新范式，也标志着噬菌体从“抗菌武器”向“治疗载体”的功能跃迁。随着技术的不断发展，工程化噬菌体有望成为精准医疗的重要工具，为炎症性肠病、糖尿病，甚至神经退行性疾病的治疗提供微生物驱动的创新路径。
参考链接：
1.Baker, Z.R. et al. Sustained in situ protein production and release in the mammalian gut by an engineered bacteriophage. Nat Biotechnol (2025). https://doi.org/10.1038/s41587-025-02570-7
