“智能益生菌”精准改造：一次性解决肝性脑病三大代谢紊乱

肝硬化（Hepatic Encephalopathy，HE）是肝硬化常见且重要的终末并发症，伴随高临床发病率、频繁住院以及经济和生活质量负担。HE是一种高度复杂的疾病，涉及多个器官和代谢物，形成恶性循环，氨水平升高会对大脑功能产生不良影响。乳果糖和利福昔明是两种FDA批准的HE治疗药物，但两种疗法都存在局限性，乳果糖过量可引起脱水、低钠血症和腹泻，患者对治疗的依从性有限；利福昔明虽然比乳果糖有效耐受，但是存在抗生素风险增加的风险。活生物治疗（Live biotherapeutics，LBPs)）是一类独特的生物疗法，由活微生物组成，旨在预防或治疗疾病。随着基因组改造高效遗传工具的显著改进，将多种功能整合到LBP中变得越来越可行。

2026年，新加坡国立大学团队发表于《Cell》上发表研究《Engineered commensals for metabolic modulation of the gut-liver-brain axis》，提出了一种新的HE干预策略，通过合成生物学手段对植物乳杆菌（Lactiplantibacillus plantarum）进行精准改造，并突出工程共生体作为靶向肠-肝-脑轴代谢功能障碍治疗干预的多功能平台的潜力。主要分为以下四部分：

一、菌株构建：

该研究以植物乳杆菌WCFS1为底物，通过基因组整合和基因敲除等遗传操作，构建了两株功能互补的工程菌：

1、Lp-NH3菌株：氨同化与L-缬氨酸合成

异源途径导入：在基因组中整合来自乳酸乳球菌和枯草芽孢杆菌的ilvC、ilvD和bcd基因，构建异源L-缬氨酸合成途径。其中bcd基因的编码产物可利用游离氨作为底物，直接将氨并入碳骨架合成L-缬氨酸。竞争途径敲除：系统性删除乙偶姻合成途径基因(lp_2030, ALDC)、支链氨基酸转氨酶基因(lp_2390, BCAT)和乳酸脱氢酶基因(lp_0537, LDH)，减少碳代谢流和产物降解的旁路消耗。经单基因和双基因敲除的迭代优化，确定BCAT和LDH双敲除组合效果最为显著。限速酶过表达：通过核糖体结合位点计算分析发现als和bcd的翻译起始速率较低，因此额外整合受强启动子P32驱动、带有优化RBS的ilvBN（来自乳酸乳球菌）和bcd基因，以提升代谢通路通量。最终菌株的氨消耗能力较野生型提高约6倍。

2、Lp-Q菌株：L-谷氨酰胺代谢增强

转化模块构建：基于KEGG代谢通路分析，筛选到三个可将L-谷氨酰胺转化为L-谷氨酸但不游离释放氨的酶。通过基因组整合，过表达谷氨酰胺-果糖-6-磷酸转氨酶基因(glms1)。代谢汇引入：为解决L-谷氨酸积累反馈抑制底物摄取的问题，共表达proB基因，编码谷氨酸5-激酶，将L-谷氨酸进一步转化为谷氨酰-5-磷酸，驱动代谢流前移。转运体过表达：同时过表达天然L-谷氨酰胺转运体基因(lp_0802-lp_0803)，增强胞外氨基酸的摄取能力。

二、动物模型验证

高氨血症模型：小鼠长期摄入含20%醋酸铵饲料后出现高氨血症。Lp-NH3单菌治疗使血清氨水平降低约3-4倍，同时血清支链氨基酸水平显著升高；联合菌株Lp-NH3+Q进一步降低了血清和脑中L-谷氨酰胺水平。旷场测试显示治疗组小鼠对内场区域的探索距离增加，提示焦虑样行为改善。

胆管结扎模型：通过手术结扎胆总管模拟继发性胆汁性肝硬化及肝损伤。该模型中，Lp-NH3+Q联合治疗降低血清氨约10倍（与盐水对照组比较），降低脑组织氨约6倍，效果优于利福昔明和Lp-NH3单菌。行为学测试进一步证实，Lp-NH3+Q组在旷场试验中表现出内场探索距离增加，在5天内的新物体识别测试中也表现出对新颖物体的辨别能力改善，而利福昔明组在相应时间点未达统计学显著差异。

三、转录组分析

差异表达基因：利福昔明、Lp-NH3和Lp-Q单菌处理的各组分别鉴定到62、114和222个差异表达基因，而Lp-NH3+Q联合治疗组鉴定到307个差异表达基因。通路富集：联合治疗组表现出更广泛的基因表达谱正常化趋势，涉及多巴胺受体信号、组胺受体信号、谷氨酸受体信号、溶血磷脂酸受体信号及酪氨酸羟化酶相关通路的上调，以及氨诱导自噬相关通路的下调。这与联合治疗在行为学改善方面的最佳表现相对应，提示肠道代谢物水平的改变可传递至中枢神经系统并影响基因表达谱。

四、肠道菌群影响和安全性

16S rRNA测序或宏基因组分析显示，利福昔明处理导致肠道菌群Alpha多样性显著降低，而Lp-NH3和Lp-NH3+Q处理组与对照组接近，菌群多样性得以维持。在健康小鼠中每日给药28天的安全性评估中，Lp-NH3+Q未引起体重差异和血常规指标显著变化，肝肾功能指标（肌酐、白蛋白、ALT、总胆红素）未受显著影响。菌株在肠道内维持约10⁵–10⁶ CFU/g的稳定水平，停药后72小时内降至检测限以下，肝脏和肠系膜淋巴结中仅检出低水平菌量（较盲肠低约10⁴倍），脾脏和心脏中未检出。

研究建立了一个基于工程化共生菌的多代谢物调控平台，通过基因组整合方式，使单株菌或菌株组合可在肠道内同时降低氨水平、补充支链氨基酸和消耗谷氨酰胺。在两种动物模型中验证了较利福昔明更优的疗效和对菌群更小的扰动。由于肝性脑病的动物模型无法完全复制人类疾病病理，后续研究需在更长周期的动物模型和临床试验中评估长期疗效与安全性，并探索该策略在尿素循环障碍等其他高氨血症相关疾病中的应用潜力

文献连接：Aggarwal N, Shen H, Lee L T, et al. Engineered commensals for metabolic modulation of the gut-liver-brain axis[J]. Cell, 2026. DOI: 10.1016/j.cell.2026.03.048