天津大学生命科学学院王汉杰课题组工程菌肠脑轴调控新进展

微生物通过“肠-脑轴”影响和调节大脑功能，设计光遗传学工程益生菌并口服递送至肠道，可以建立人工途径对大脑神经系统进行便捷的人为调控。然而，光遗传学常用的蓝绿光组织穿透性十分有限，往往依赖植入式器件、纳米材料等的辅助，造成了给光效率降低、光调控操作不便、生物相容性隐患等问题，限制了该策略的在体应用推广。

针对以上问题，天津大学生命科学学院王汉杰课题组将红光光遗传工具引入工程益生菌以实现肠-脑轴精准调控，为肠-脑轴调控提供了一种高效便捷的新工具和新策略，在Biomaterials期刊发表题为“A red light-controlled probiotic bio-system for in-situ gut-brain axis regulation”的研究成果。

在本文中，利用合成生物学技术设计了红光响应的大肠杆菌Nissle 1917（EcN），使其响应光信号裂解并释放生产的嵌合多肽Exendin-4-ABD-AFF。以往的临床研究证明，Exendin-4多肽可作为一种神经生长因子，将其系统性注射可跨过血脑屏障进入大脑，发挥神经元保护与修复作用，改善神经退行性疾病和神经损伤患者症状。

在其C端融合白蛋白结合结构域（ABD）和新生儿Fc受体靶向结构域（AFF）后，蛋白可通过肠上皮FcRn受体介导的转胞吞作用入血，同时通过结合血清白蛋白减少肾脏清除和降解从而提高其半衰期。因此，光调控EcN裂解释放Exendin-4-ABD-AFF，具备多肽入脑和神经保护能力。以MPTP诱导的帕金森小鼠模型为例，对该系统的体内光遗传学调控能力进行探究。具体研究要点如下：

（1）红光响应线路构建和光控蛋白释放研究：在EcN中构建了基于Cph8光敏蛋白的红光响应线路，验证其光响应灵敏性和穿透能力，结果表明，红光照射2小时可达到约5倍诱导，且穿过组织后诱导的效率远高于传统的蓝光响应系统pDawn。随后，构建了光响应菌体裂解、释放多肽产物的基因线路，测量到工程菌响应红光后释放多肽产物Exendin-4-ABD-AFF约400pg/mL/h。

（2）口服工程菌材料构建和工程菌递送验证：为了实现高效的益生菌口服递送，本文使用海藻酸钙水凝胶微球包裹工程菌，在胃模拟液中验证了水凝胶对工程菌活性的保护能力，以及在肠模拟液中PH响应快速释放工程菌的能力。以荧光素酶为工程菌的报告基因，通过活体成像观察工程菌在肠道中递送定植的状态。

（3）红光响应工程菌对小鼠帕金森的干预：建立MPTP诱导的帕金森小鼠模型，为其口服递送工程菌，工程菌可在体内响应红光释放Exendin-4-ABD-AFF多肽。多肽作用于神经元，提高了细胞氧化应激损伤抵抗能力并促进其生长。在宏观上，红光调控的小鼠检测到脑内多巴胺水平回升、炎症程度减缓。通过爬杆测试、旷场测试、自发交替测试、Y迷宫训练记忆测试等行为学手段，观察到小鼠运动能力改善、焦虑行为降低、学习能力提高的改善效应。

本项工作提供了一种穿透性更强、高效便捷的“肠-脑轴”光调控策略，为工程菌的体内光遗传学应用提供了新工具。

来源：天津大学生命科学学院

转自：“威斯腾生命科学研究院”微信公众号

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