滑铁卢大学联合南科大构建工程菌高产膜囊泡，突破IBD治疗瓶颈

细菌膜囊泡（Bacterial Membrane Vesicles, BMVs）是天然分泌的纳米级脂质结构，能够携带蛋白质、核酸等活性分子，在疫苗开发、药物递送及免疫调控中展现出独特潜力。然而，天然 BMV 的低产量（仅占菌体生物量的 0.2%-0.5%）和复杂的纯化流程长期限制其临床应用。

近期，滑铁卢大学 Yilan Liu 团队与南方科技大学刘洪梅、吴德成团队在 ACS Nano 发表突破性研究，题为“Engineered Therapeutic Bacteria with High-Yield Membrane Vesicle Production Inspired by Eukaryotic Membrane Curvature for Treating Inflammatory Bowel Disease”，通过多维度基因工程策略，将大肠杆菌改造为高效 BMV 生产平台，产量提升 149 倍，并验证其直接口服治疗炎症性肠病（IBD）的显著疗效。这一成果为活菌疗法和纳米医学的融合提供了全新范式。

研究团队从真核细胞的膜曲率调控机制中获得核心启发。在真核系统中，BAR 结构域蛋白、网格蛋白等通过诱导膜弯曲驱动囊泡形成，而脂质组成与蛋白质的协同作用进一步调控这一过程。为实现类似效果，团队筛选出大肠杆菌的乙醇胺利用微区室壳蛋白 EutS——其六聚体结构具有 40° 固有曲率，且表面疏水特性与细菌外膜的脂质双层相容。通过将 EutS 与 ompA 信号肽融合（*EutS），研究人员成功将其靶向定位至细菌外膜。实验表明，*EutS 的表达使BMV产量提升 45.72 倍，囊泡平均直径从 129.1 nm 增至 157.1 nm。冷冻电镜显示，*EutS 通过插入外膜形成局部曲率，触发持续的膜形变，这一机制模拟了真核细胞的膜重塑过程，为细菌系统的可控囊泡生产奠定了理论基础。

为进一步突破产量瓶颈，团队引入代谢工程与细胞壁调控的协同策略。首先，通过过表达脂肪酰基还原酶（FAR），将脂肪酸代谢流向脂肪醇合成。这些两亲性分子插入膜结构后，通过降低脂质层刚性促进曲率形成。尽管单独表达 FAR 会因代谢竞争导致菌体生长抑制，但其与 EutS 联用可产生协同效应，使 BMV 产量提升 66.47 倍。其次，团队利用阿拉伯糖诱导系统动态调控肽聚糖水解酶（PGase）的表达，特异性切割肽聚糖交联结构，弱化细胞壁对囊泡释放的物理限制。当 EutS、FAR 与 PGase 三者联用时（FEP 工程菌），BMV 产量达到原始菌株的 149.11 倍。透射电镜显示，FEP 菌体表面密集形成直径约 150 nm 的囊泡，拉曼光谱进一步证实囊泡膜中成功整合脂肪醇，凸显了多策略协同的工程优势。

传统 BMV 疗法依赖超速离心等复杂纯化步骤，而本研究创新性地直接使用 FEP 工程菌（含菌体与BMV）口服给药。在 3% 葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的小鼠结肠炎模型中，FEP 治疗组表现出显著保护效应，小鼠体重损失仅 2.31%，结肠长度不变；组织病理分析显示结肠隐窝结构完整，炎症细胞浸润减少 70%，髓过氧化物酶（MPO）与肿瘤坏死因子-α（TNF-α）表达水平显著降低。而且，FEP 治疗可逆转 DSS 导致的菌群失调——致病菌Escherichia-Shigella 相对丰度从 12.3% 降至 2.1%，而产短链脂肪酸的有益菌 Prevotellaceae_UCG-001 从 0.5% 升至 4.7%。KEGG 功能预测进一步显示，FEP 组的能量代谢与免疫通路富集度接近健康组，提示工程菌可能通过调节宿主-微生物互作缓解炎症。

该研究的核心突破在于将真核膜曲率机制转化为细菌可控的 BMV 生产系统，并通过代谢-结构协同工程实现产量的数量级提升。相较于传统物理/化学诱导法，基因策略避免了囊泡成分异质性和化学残留风险，且“菌-囊泡复合体”疗法省去纯化步骤，大幅降低生产成本。然而，迈向临床仍需解决关键挑战：高产 BMV 导致 FEP 菌 OD600 下降 71.23%，可能限制规模化培养；工程菌的基因稳定性、免疫原性及对肠道屏障的长期影响需系统验证；当前体系基于大肠杆菌 DH5α，未来可适配益生菌（如 Nissle 1917）以提高生物相容性。研究团队已着手优化诱导系统，通过动态调控基因表达时序缓解代谢压力。刘谊兰教授指出，该平台可灵活加载病原体抗原或肿瘤新抗原，为个性化疫苗开发提供通用解决方案。

此项工作不仅为 IBD 治疗提供了创新工具，更重新定义了工程菌的生物医学应用场景。通过合成生物学与纳米技术的深度交叉，细菌有望成为“活体纳米工厂”，实现药物的原位合成与精准递送。随着对菌群与宿主互作机制的进一步解析，此类技术或可拓展至癌症免疫治疗、代谢性疾病调控等领域，推动微生物疗法迈向新的高度。

1.Chen J, Liu M, Chen S, et al. Engineered Therapeutic Bacteria with High-Yield Membrane Vesicle Production Inspired by Eukaryotic Membrane Curvature for Treating Inflammatory Bowel Disease[J]. ACS nano, 2025.

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