中国香港特别行政区香港城市大学兽医与生命科学学院生物医学系Kwan Ting Chow, Hun-Jun Park, Kiwon Ban, Terrence Chi Kong Lau团队2024年6月8日在Cardiovasc Res期刊上发表题为“Daily oral administration of probiotics engineered to constantly secrete short-chain fatty acids effectively prevents myocardial injury from subsequent ischemic heart disease”的研究论文。冠心病（CHD），包括心肌梗死（MI），是全球死亡的主要原因，每年造成80多万人死亡。心肌梗死对心脏的不可逆损伤降低了心脏收缩功能，从症状2开始，五年生存率仅为49%。由于心脏的再生潜力极其有限，目前的治疗方法，包括手术和药物干预，只能延缓这种有害疾病的进展。因此，预防是降低冠心病患病率和死亡率的最佳策略。有鉴于此，已经开发和探索了各种潜在的治疗方法来有效预防冠心病。然而，除了生活方式的改变，这些策略都没有持续产生显著和可靠的结果。

在作者的研究中，作者成功地开发了一种新的策略，通过口服一种名为EcN_TL的工程益生菌来预防缺血性心脏病。这种益生菌持续不断地向血液中分泌生理水平的SCFAs。通过将丙酸盐和丁酸盐两种生物合成途径引入大肠杆菌Nissle 1917菌株（EcN）中，产生了EcN_TL。EcN是一种从人类肠道中分离出来的短命益生菌，一个多世纪以来一直被广泛用于治疗炎症性肠病和肠易激综合征。其在人体内的长期安全性、耐受性、对其分子背景的了解以及基因操作工具的可用性使EcN成为开发工程疗法的理想候选者。事实上，一种用于治疗人类代谢性疾病苯丙酮尿症（PKU）的合成活细菌1目前正在进行二期临床试验，这突出了使用EcN作为生物治疗药物的潜力和可行性。当给大鼠喂食一周时，EcN_TL有效地保护动物免受随后的心肌I/R损伤，导致左心室心脏功能的显著改善，并改善不良的心脏重塑和纤维化。此外，SCFAs保护心肌细胞免受炎症诱导的细胞死亡，尽管它们对缺血应激没有显著影响。此外，短链脂肪酸对免疫细胞具有抗炎作用。

图1 工程益生菌EcN_TL对心肌梗死的治疗效果示意图。

与先前证明SCFAs对巨噬细胞具有显著抗炎作用的研究一致，作者发现口服EcN_TL通过免疫细胞依赖性和非依赖性机制发挥心脏保护作用，主要是通过减少炎症。SCFAs通过抑制NF-κB的激活直接抑制心肌细胞中促炎细胞因子的产生，NF-κB是产生各种促炎细胞素的关键转录因子，其加剧不利的心脏重塑并导致心力衰竭。事实上，抑制NF-κB已被认为是治疗MI的一个有前景的靶点。除了减少MI心脏中的促炎细胞因子外，EcN_TL还上调了抗炎细胞因子，如IL1RA和IL-10。心肌细胞不表达任何已知的SCFA受体。作者发现SCFA的作用依赖于MCT1的表达，这表明MCT1作为一种新的SCFA受体具有潜在的作用。

SCFA已被发现对免疫细胞具有直接作用。先前的研究表明，丙酸盐靶向调节性T细胞以调节炎症反应，缓解T辅助细胞稳态，减少免疫细胞浸润，从而减少高血压心脏损伤和动脉粥样硬化。作者的研究重点是SCFAs对先天免疫细胞的影响，先天免疫细胞在启动和调节炎症反应中发挥着重要作用。在体内MI心脏和体外模型中，SCFAs促进巨噬细胞向M2表型的极化。当给动物喂食EcN_TL时，作者观察到MI心脏梗死区M2巨噬细胞数量增加，M1巨噬细胞数量减少。SCFA给药增加了巨噬细胞中抗炎分子的水平，降低了促炎细胞因子的水平。此外，SCFA治疗导致体内中性粒细胞较少浸润MI心脏，并抑制体外中性粒细胞迁移。这些结果有力地支持SCFAs在调节巨噬细胞向伤口愈合表型极化、减少中性粒细胞诱导的炎症损伤以及协调促进MI心脏组织修复的微环境中的作用。先前的研究也表明，丁酸盐调节与炎症和细胞凋亡相关的基因的表达，以维持肠心轴的平衡。作者的研究进一步扩展了短链脂肪酸的免疫作用，并阐明了短链棕榈酸发挥心脏保护作用的免疫细胞依赖性和非依赖性机制。

图2 EcN_TL对改善心肌梗死后心脏功能的影响

虽然补充短链脂肪酸的饮食已被证明在预防和保护心脏病方面具有益处，但维持血液中有效的短链脂肪a水平仍然是一个关键挑战。使用益生菌释放短链脂肪酸的概念是十年前提出的，但尚未开发出有效的益生菌治疗MI的方法。最近一项关于微生物组和心脏修复之间关系的研究强调了SCFAs在MI后恢复中的作用。作者的益生菌EcN_TL具有在急性心肌梗死期间不断释放SCFAs并保持其在血流中浓度的能力，从而减少心肌细胞死亡和纤维化，改善左心室收缩性并增强心脏功能。

为了开发一种保护心脏的益生菌供未来人类使用，作者用一个基于质粒的系统设计了EcN_TL，该系统包括一个hok/sok系统，以在不使用抗生素的情况下维持质粒。根据美国食品药品监督管理局关于活生物治疗生物体的指导意见，该指导意见强调遗传稳定性和避免抗生素耐药性基因，作者目前正在通过将SCFA生物合成基因整合到大肠杆菌Nissle 1917的染色体中来开发新一代的EcN_TL。重要的是，EcN_TL对SCFAs的有效递送与纤维摄入量无关。换句话说，作者的益生菌介导的心脏病预防与任何饮食或生活方式的改变无关。这使得EcN_TL成为一种安全、方便和有吸引力的SCFA-27特异性补充剂。

总之，作者的研究结果为利用合成活细菌疗法预防心脏病提供了强有力的基础，并为工程益生菌作为靶向肠心轴的生物治疗剂奠定了基础。除了预防冠心病，作者开发的益生菌EcN_TL还可以用于其他健康状况，它可以提供持续的SCFAs递送。作为一种工具，它可以用来探索SCFAs在肠道相关轴双向通信中的作用。

原文链接：https://doi.org/10.1093/cvr/cvae128