Nature Biotechnology：借菌造药：噬菌体巧用大肠杆菌打造活体药物车间

引言

您是否想过，一种曾让医学界束手无策的病毒，竟能化身精准的"微型制药厂"？2月18日《Nature Biotechnology》的最新突破“Sustained in situ protein production and release in the mammalian gut by an engineered bacteriophage”，研究人员成功将噬菌体，这种自然界最古老的病毒杀手，改造成为肠道内的蛋白质生产大师。研究团队通过基因工程技术，让T4噬菌体在感染大肠杆菌时，像特洛伊木马般释放治疗性蛋白质，成功在小鼠模型中逆转结肠炎进程、遏制肥胖发展。这项颠覆性技术不仅攻克了口服生物制剂（Oral Biologics）难以在消化道存活的世纪难题，更开创了利用宿主共生菌群作为"活体药物工厂"的全新治疗范式。

传统口服药物面临三重炼狱：胃酸的强腐蚀环境（pH 1.5-3.5）、肠道蛋白酶的降解风暴、以及大分子药物的吸收壁垒。这使得胰岛素、单克隆抗体等生物制剂至今仍需注射给药，导致患者依从性不足50%。而工程益生菌虽能定点生产药物，却常因肠道菌群竞争惨遭淘汰。这项研究另辟蹊径，将噬菌体改造成"智能药物载体"：当它们感染肠道共生大肠杆菌时，会启动内置的gp22启动子，在裂解细菌的瞬间释放预先编码的蛋白质药物。这种"借鸡生蛋"的策略，既避开了胃部消化系统的绞杀，又巧妙利用噬菌体与宿主菌的动态平衡实现持续给药。

在结肠炎小鼠模型中，携带丝氨酸蛋白酶抑制剂（Serpin B1a）的工程噬菌体，使炎症标志物中性粒细胞弹性蛋白酶（Neutrophil Elastase）活性骤降68%，同时促进抗炎型CD24+中性粒细胞增殖。更令人惊叹的是，在饮食诱导的肥胖模型中，表达细菌热休克蛋白ClpB的噬菌体，通过模拟饱腹信号肽α-MSH，使小鼠日均摄食量减少22%，血清炎症因子IL-23水平降低53%。这些突破不仅验证了技术的治疗潜力，更揭示了微生物组工程从"菌群调控"到"分子编程"的范式跃迁。当病毒与人类从对抗走向共生，这场静默的医疗革命正在重新定义未来药物的可能性。

当病毒成为盟友：颠覆认知的医疗新思路

在我们与致病菌的百年战争中，噬菌体（Bacteriophage）——这种专门感染细菌的病毒，一直被视为潜在的"生物导弹"。但《Nature Biotechnology》最新发表的研究，为这个古老的抗菌武器赋予了颠覆性的新使命：研究人员成功将T4噬菌体改造成能在哺乳动物肠道内持续生产治疗性蛋白质的"微型制药厂"。

研究团队利用噬菌体感染肠道共生大肠杆菌（Escherichia coli）的特性，通过基因工程使其在细菌裂解时释放特定的治疗蛋白。在结肠炎（Colitis）和饮食诱导肥胖（Diet-Induced Obesity, DIO）的小鼠模型中，这种"智能噬菌体"分别实现了炎症因子抑制和体重控制的双重突破。这项技术突破不仅为口服生物制剂（Biologics）的递送难题提供了创新解决方案，更开启了利用肠道微生物作为活体药物工厂的新纪元。

肠道给药困境：为什么99%的生物制剂无法口服

传统口服药物需要突破三重屏障：

胃酸绞肉机：胃部pH值低至1.5-3.5，90%的蛋白质类药物在此失活

酶解风暴：胰腺分泌的蛋白酶（Protease）可在30分钟内降解胰岛素（Insulin）等大分子

吸收瓶颈：分子量超过500 Da的药物难以穿透肠上皮细胞

这使得目前获批的100多种生物制剂中，仅有利那洛肽（Linaclotide）等极少数能实现口服给药。研究数据显示，慢性病患者对需每日注射的药物治疗依从性不足50%，严重制约了治疗效果。

噬菌体的进化：从"细菌杀手"到"蛋白质工厂"

T4噬菌体的改造过程堪称分子生物学的精妙设计：

基因定位：在噬菌体基因组非必需区域插入外源基因（sfgfp/serpinb1a/clpB）

智能调控：采用噬菌体特异性启动子（gp22 promoter），确保基因表达与感染周期同步

裂解释放：利用噬菌体裂解周期（Lytic Cycle）的自然特性，将治疗蛋白释放至肠道黏膜

实验数据显示，改造后的T4::sfgfp噬菌体在小鼠肠道黏膜产生的超折叠绿色荧光蛋白（Superfolder GFP）浓度达到1.5×10⁴ AU/OD，是背景荧光的300倍。这种时空可控的蛋白质生产方式，成功规避了传统工程菌面临的定植竞争难题。

炎症性肠病的精准打击：让噬菌体"驯服"失控的免疫

在溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis）模型中，研究团队展示了令人振奋的结果：

中性粒细胞弹性蛋白酶（Neutrophil Elastase, NE）活性：T4::serpin组较野生型降低68%（P<0.0001）

结肠炎病理评分：黏膜厚度增加40%，CD24+抗炎中性粒细胞比例提升2.3倍

体重变化：在7天葡聚糖硫酸钠（Dextran Sulfate Sodium, DSS）诱导期，治疗组多维持5.2%的体重

这种通过噬菌体递送丝氨酸蛋白酶抑制剂（Serpin B1a）的策略，不仅中和了过度活跃的NE，更重要的是通过CD24-Siglec信号轴重塑了免疫微环境。这种"治本"而非"治标"的干预方式，为慢性炎症疾病提供了全新治疗范式。

对抗肥胖的"分子骗局"：肠道里的饱腹感骗局

在饮食诱导肥胖模型中，噬菌体展现了更复杂的调控能力：

ClpB蛋白的拟态魔法：其五氨基酸基序与α-MSH（α-Melanocyte-Stimulating Hormone）同源，激活肠道内分泌细胞MC4R受体

代谢改善：治疗组日均摄食量减少22%（2.8g→2.2g），夜间活动量增加37%

炎症缓解：血清IL-23、IL-1α水平分别下降53%和41%，肝脏脂肪变性面积缩小28%

有趣的是，尽管噬菌体裂解导致大肠杆菌数量周期性波动，但工程噬菌体在肠道中的存续时间超过25天。这种持续的药物生产能力，突破了传统益生菌需要每日补充的技术瓶颈。

安全与平衡：改写微生物组的"外科手术刀"

为确保技术安全性，研究团队进行了全方位评估：

血清生化指标：治疗组谷丙转氨酶（ALT）反较对照组降低18%，提示潜在肝保护作用

菌群分析：16S测序显示主要菌群（拟杆菌门/厚壁菌门）比例保持稳定（Bray-Curtis相似性>0.82）

耐药性监测：1920个大肠杆菌分离株中未发现噬菌体抗性突变

这种精准靶向特定菌株的特性，避免了广谱抗生素对肠道菌群的"地毯式轰炸"。研究还发现，噬菌体更易富集在肠道黏液层（Mucosal Lining），这种空间特异性进一步降低了脱靶风险。

从实验室到餐桌：未来医疗的三大想象

这项技术突破可能催生以下应用场景：

慢性病管理：糖尿病患者的肠道持续分泌GLP-1类似物，取代每周注射

个性化营养：根据肠道菌群特征定制噬菌体鸡尾酒，实现精准代谢调控

太空医学：在微重力环境下维持宇航员肠道稳态，预防菌群失调

研究团队正在探索将技术拓展至人源化crAssphage（一种拟杆菌噬菌体），未来或可实现"一次给药，终身受益"的治疗模式。

我们不是在消灭微生物，而是在教导它们成为我们的制药伙伴。

微生物组的文艺复兴

该研究标志着人类对肠道微生物组的认知从"敌人清单"转向"合作伙伴名录"。当噬菌体从单纯的抗菌武器进化为可编程的生物反应器（Bioreactor），我们正站在一个新时代的门槛上——在这里，疾病治疗不再是外来化合物与身体的对抗，而是生命系统与生命系统的对话。或许不久的将来，每个人的肠道中都运行着一座精密的"微生物制药厂"，而这场静默的医疗革命，此刻正在我们体内悄然启幕。

参考文献

Baker, Z.R., Zhang, Y., Zhang, H. 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