工程化益生菌“荚膜重塑”系统实现结肠炎的靶向定植与局部抗氧化治疗

工程化益生菌疗法在炎症性肠病治疗中展现出潜力，但口服后细菌易被胃酸、胆盐、消化酶破坏或随蠕动排空使其难以在病灶部位定植，同时炎症环境中的免疫细胞和活性氧进一步削弱其存活，导致疗效受限。如何让治疗菌在炎症部位“安家落户”并持续释放药物，是活菌制剂面临的核心瓶颈。

近期发表于《Biomaterials》的研究《Remodeling of capsular polysaccharide enhances colonization and therapeutic efficacy of probiotic Escherichia coli against colitis》提出一项突破性方案，利用大肠杆菌Nissle 1917的天然肝素osan荚膜与多杀性巴氏杆菌透明质酸合成途径共用相同前体和转运系统的特点，通过基因替换构建了透明质酸荚膜工程菌，并结合超氧化物歧化酶的表达，从内源性、可持续的角度增强了菌株在炎性肠道的定植与ROS清除能力，实现了对溃疡性结肠炎的高效治疗。以下是对该研究的深度解度。

一、系统构建：透明质酸荚膜的基因工程替代

研究选用安全性良好的益生菌株EcN作为底盘，首先敲除其天然肝素osan荚膜合成关键基因kfiA，获得荚膜缺失突变株ΔkfiA；随后导入来自Pasteurella multocida的透明质酸合成酶基因hasA和UDP-葡萄糖脱氢酶基因hasB，成功构建工程菌ΔkfiA-HA。经特异性酶切、HPLC及质谱验证，肝素osan消失而透明质酸生成，且产量随IPTG诱导浓度递增；透射电镜显示该菌株形成厚度约86 nm的规则荚膜，较野生型（58 nm）更厚，而ΔkfiA荚膜显著变薄（22 nm），表明重组HA成功锚定于细胞表面。在此基础上，进一步导入人Cu/Zn-SOD基因，获得治疗菌株ΔkfiA-HA-SOD，其SOD表达水平约52 mg/L、酶活性约48 U/mg总蛋白，且双重改造未影响菌株正常生长。

二、核心功能与机制：定植增强、免疫逃逸与抗氧化

（1）HA荚膜显著提高肠道定植能力

在健康小鼠模型中，HA荚膜修饰显著增强了菌株的肠道定植能力：单次灌胃后，ΔkfiA-HA株的粪便活菌数在1天时达野生型的1.6倍，且清除速率明显减缓，生物发光成像亦证实HA菌株在胃肠道的信号强度显著更高；组织黏附实验显示，ΔkfiA-HA在胃、小肠、结肠和盲肠的定植量均显著优于野生型，而荚膜缺失株则大幅下降。体外机制研究表明，HA荚膜菌株在模拟胃液和肠液中的存活率分别为野生型的2.6倍和1.6倍，对Caco-2肠上皮细胞的黏附效率提升594%，且该黏附可被抗CD44抗体特异性阻断，证实HA-CD44相互作用是靶向粘附的关键机制。此外，ΔkfiA-HA形成生物膜的能力也强于野生型，有助于长期定植。

（2）HA荚膜赋予炎症组织特异性积累和免疫逃逸

在DSS诱导的结肠炎模型中，ΔkfiA-HA的粪便活菌数较野生型从第1天的1.5倍增至第5天的21倍，且清除速率在结肠炎小鼠中显著慢于健康小鼠，表明HA荚膜优先富集于炎症部位。巨噬细胞吞噬实验显示，ΔkfiA-HA菌株被RAW264.7和THP-1细胞吞噬的数量显著低于野生型，且促使THP-1释放的IL-6、IL-1β和TNF-α水平降低。1 mM H2O2处理3小时后，ΔkfiA-HA菌株存活率远高于野生型，而荚膜缺失株则更为敏感。综上，HA荚膜通过抗吞噬、抗炎和抗氧化等多重机制实现炎症部位的特异性累积。

三、动物体内疗效验证

（1）单次给药（预防性）疗效评估

在DSS诱导的急性结肠炎模型中，小鼠经口给予约1×108 CFU的工程菌，同时饮用含IPTG的水。结果显示，ΔkfiA-HA-SOD（同时表达SOD）组小鼠体重下降最小、疾病活动指数（DAI）最低，结肠长度恢复至接近正常水平。组织病理学显示，ΔkfiA-HA-SOD组隐窝结构完整、杯状细胞丰富、上皮完整，炎性浸润和水肿轻微，与健康组相似。

肠道屏障功能方面，ΔkfiA-HA-SOD显著降低FITC-葡聚糖通透性，并上调紧密连接蛋白ZO-1表达。炎症因子检测显示，该组结肠MPO活性、IL-6、TNF-α显著下降，而抗炎因子IL-10升高。SOD活性测定证实工程菌在结肠原位生产了高活性SOD，可有效清除ROS。

（2）延迟给药（治疗性）疗效验证

小鼠在DSS处理5天后（已建立明显结肠炎症状）再给予单次工程菌，ΔkfiA-HA-SOD组从第7天起体重逐步恢复，DAI迅速下降，至第9天接近健康水平。组织学、结肠长度、肠道通透性、ZO-1、MPO、细胞因子及SOD活性指标均显著优于非靶向或非SOD组，证明该菌株对已建立的结肠炎同样有效。

四、菌群调节与生物安全性

16S rRNA测序显示，ΔkfiA-HA-SOD治疗组菌群丰富度（OTUs）回升至健康水平。有害菌属（Clostridium、Turicibacter、Desulfovibrio）减少，有益菌（Bifidobacterium、Faecalibaculum、Rikenellaceae）富集。在抗生素清除菌群的小鼠中，该菌株仍能减轻结肠损伤，提示其疗效部分独立于菌群调节，存在直接保护作用。安全性评估显示，经口给予ΔkfiA-HA后，小鼠在15天内体重稳步增长，无腹泻或感染迹象，血清炎症因子水平与健康对照无差异，表明工程菌具有良好的生物安全性。

该研究首次通过基因工程将益生菌EcN的天然荚膜替换为透明质酸，实现炎症靶向黏附、免疫逃逸与抗氧化酶原位释放的协同功能，相比传统表面包被策略，内源性HA荚膜可持续稳定，单次口服即可显著改善结肠炎，规避了系统性毒性与频繁给药问题。尽管该策略展现了良好的安全性和治疗潜力，但仍需与现有临床药物进行头对头比较、验证长期定植的安全性，并优化双基因共表达带来的代谢负担。值得注意的是，HA-CD44靶向机制为将该平台拓展至CD44阳性肿瘤治疗提供了可能，且基于多糖转运系统的底物宽泛性，未来可设计多种功能性荚膜以适应不同疾病场景。该研究为口服活菌生物制剂的理性设计和临床转化提供了新的思路。

参考文献：Liu, X., Liu, Z., Li, H, et al. Remodeling of capsular polysaccharide enhances colonization and therapeutic efficacy of probiotic Escherichia coli against colitis[J]. Biomaterials, 2026, 335: 124347. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2026.124347