腸道微生物可通過腸-腦軸參與神經發育、神經炎癥和神經傳遞等多種腦功能的調節，基于微生物的疾病治療方法如糞菌移植已用于臨床實踐中，在此基礎上也衍生出基因工程改造的腸道細菌用于疾病的機制研究和治療。最近以大腸桿菌Nissle 1917（EcN）為代表的的工程益生菌作為新型的藥物遞送系統已用于治療癌癥、腸道炎癥以及代謝性疾病，具有原位、高效、持續給藥和設計靈活等優點。

光遺傳學益生菌（optogenetic probiotics）因其時間和空間上的特異性和操作的靈活性而具有獨特的潛力。其中光遺傳學可提供精準靈活的工程菌原位控制策略，但目前的光遺傳工具受限于波長較短而組織穿透性較差，限制了光遺傳益生菌在腸道中的應用。

2023年1月20日天津大學生命科學學院劉奪團隊在Biomaterials上發表題為“A red light-controlled probiotic bio-system for in-situ gut-brain axis regulation”的研究論文，該團隊構建了一種新的紅光介導的光遺傳益生菌，并將該工程菌應用于藥物遞送和對宿主行為的調控，并證明光控益生菌可改善小鼠的帕金森氏病。

1、ROEN光遺傳益生菌的構建

研究人員首先將E. coli DH5α菌株和由紅光控制的細胞裂解酶基因X174E以及一種長效的胰高血糖素樣肽-1受體激動劑—Exendin-4（Ex-4）進行融合，構建出能響應紅光照射的大腸桿菌工程菌—ROEN（Red-light Optogenetic E. coli Nissle 1917）。ROEN可被635 nm波長的紅光激活，通過細胞裂解酶基因X174E的表達促進細胞裂解并釋放功能性蛋白（GFP或Ex-4），紅光具有較少的光散射和吸收，將其與光感受器蛋白Cph8結合可使ROEN在深達3 cm的組織中仍被激活。

圖1：ROEN光遺傳益生菌的構建

2、ROEN光遺傳益生菌高效釋放生物活性的Ex-4

研究人員使用PC-12細胞進行體外培養，將紅光照射的ROEN工程菌培養物離心過濾后的懸浮液加入PC-12細胞中。通過酶聯免疫吸附（ELISA）實驗發現ROEN工程菌懸浮液中的Ex-4蛋白表達水平顯著升高，細胞cAMP濃度分析顯示紅光誘導表達的Ex-4可激活PC-12細胞并促進其生長。

圖2：ROEN光遺傳益生菌釋放的Ex-4激活神經元細胞

3、ROEN光遺傳益生菌通過生物活性的Ex-4改善小鼠帕金森病癥狀

將ROEN封裝到海藻酸微膠囊中以克服胃酸環境，并通過灌胃將ROEN遞送到小鼠腸道后在紅光誘導下釋放的Ex-4可通過腸屏障和血腦屏障進入循環系統和大腦。帕金森病（PD）小鼠模型中，經紅光控制的ROEN給藥后1個月，ELISA檢測發現PD小鼠血清和大腦中表達有較高濃度的Ex-4，生化實驗結果顯示PD小鼠大腦中的α-突觸核蛋白積累減少、炎癥因子水平降低、多巴胺濃度升高。行為學檢測發現PD小鼠的運動障礙、記憶衰退和焦慮癥狀均得到改善。

圖3：ROEN光遺傳益生菌通過生物活性的Ex-4改善小鼠帕金森病癥狀

總結

本文成功搭建了紅光光遺傳益生菌系統和基于該系統的新的藥物遞送平臺，通過口服ROEN光遺傳益生菌可在小鼠腸道中實現裂解和藥物釋放及對腸-腦軸的調節，并對帕金森病小鼠具有神經保護效應和行為改善作用。

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