光遺傳學(xué)光控工程菌在帕金森氏病治療的應(yīng)用

腸道微生物可通過腸-腦軸參與神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)炎癥和神經(jīng)傳遞等多種腦功能的調(diào)節(jié)，基于微生物的疾病治療方法如糞菌移植已用于臨床實(shí)踐中，在此基礎(chǔ)上也衍生出基因工程改造的腸道細(xì)菌用于疾病的機(jī)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(tǒng)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(xù)給藥和設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

光遺傳學(xué)益生菌（optogenetic probiotics）因其時(shí)間和空間上的特異性和操作的靈活性而具有獨(dú)特的潛力。其中光遺傳學(xué)可提供精準(zhǔn)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(zhǎng)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(yīng)用。

2023年1月20日天津大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉奪團(tuán)隊(duì)在Biomaterials上發(fā)表題為“A red light-controlled probiotic bio-system for in-situ gut-brain axis regulation”的研究論文，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種新的紅光介導(dǎo)的光遺傳益生菌，并將該工程菌應(yīng)用于藥物遞送和對(duì)宿主行為的調(diào)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(gòu)建

研究人員首先將E. coli DH5α菌株和由紅光控制的細(xì)胞裂解酶基因X174E以及一種長(zhǎng)效的胰高血糖素樣肽-1受體激動(dòng)劑—Exendin-4（Ex-4）進(jìn)行融合，構(gòu)建出能響應(yīng)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(zhǎng)的紅光激活，通過細(xì)胞裂解酶基因X174E的表達(dá)促進(jìn)細(xì)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(jié)合可使ROEN在深達(dá)3 cm的組織中仍被激活。

圖1：ROEN光遺傳益生菌的構(gòu)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(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，將紅光照射的ROEN工程菌培養(yǎng)物離心過濾后的懸浮液加入PC-12細(xì)胞中。通過酶聯(lián)免疫吸附（ELISA）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ROEN工程菌懸浮液中的Ex-4蛋白表達(dá)水平顯著升高，細(xì)胞cAMP濃度分析顯示紅光誘導(dǎo)表達(dá)的Ex-4可激活PC-12細(xì)胞并促進(jìn)其生長(zhǎng)。

圖2：ROEN光遺傳益生菌釋放的Ex-4激活神經(jīng)元細(xì)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(huán)境，并通過灌胃將ROEN遞送到小鼠腸道后在紅光誘導(dǎo)下釋放的Ex-4可通過腸屏障和血腦屏障進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)和大腦。帕金森�。≒D）小鼠模型中，經(jīng)紅光控制的ROEN給藥后1個(gè)月，ELISA檢測(cè)發(fā)現(xiàn)PD小鼠血清和大腦中表達(dá)有較高濃度的Ex-4，生化實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)PD小鼠的運(yùn)動(dòng)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(jié)

本文成功搭建了紅光光遺傳益生菌系統(tǒng)和基于該系統(tǒng)的新的藥物遞送平臺(tái)，通過口服ROEN光遺傳益生菌可在小鼠腸道中實(shí)現(xiàn)裂解和藥物釋放及對(duì)腸-腦軸的調(diào)節(jié)，并對(duì)帕金森病小鼠具有神經(jīng)保護(hù)效應(yīng)和行為改善作用。

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