剑桥大学发现清除PFAS菌株，小鼠体内验证成功，已创办公司转化

全氟和多氟烷基物质（PFAS），因其在环境和生物体内难以降解的特性，被冠以“永久化学物质”的恶名。它们广泛存在于防水衣物、不粘锅、食品包装乃至化妆品中，与生育力下降、儿童发育迟缓、心血管疾病及多种癌症风险增加密切相关。

目前，广泛使用的 PFAS 化学物质超过 4700 种，有些会在几天内通过尿液排出体外，但有些分子结构较长的化学物质则会在体内停留数年。如何清除体内蓄积的 PFAS，一直是环境健康领域的重大挑战。

近日，剑桥大学 MRC 毒理学部门的 Kiran Patil 团队在 Nature Microbiology 发表了一项突破性研究，题为“Human gut bacteria bioaccumulate per- and polyfluoroalkyl substances”，揭示了人类肠道中的某些微生物拥有高效富集 PFAS的非凡能力，为理解和清除 PFAS 开辟了全新路径。

传统观点认，PFAS 主要与细胞膜脂质或血清蛋白结合。然而，Patil 团队通过系统性的筛选，首次发现人类肠道细菌能主动且高效地将 PFAS“锁进”自己体内。他们测试了 89 株涵盖主要细菌门类的微生物对代表性长链 PFAS（PFNA）的富集能力。结果令人惊讶：38 株菌表现出高富集能力，且呈现明显的门级特异性——拟杆菌属（Bacteroidota）细菌整体表现最优。其中，拟杆菌属的 Bacteroides uniformis堪称“PFAS 磁铁”，在 20 μM 暴露浓度下 24 小时内即可从环境中清除高达 74% 的 PFNA。

B.uniformis 展现出惊人的广谱富集能力，仅需 3 分钟即可从痕量（0.34 nM）到高浓度（500 μM）环境中快速捕获 PFAS，并在 0.34 nM 暴露下实现菌体内50 倍浓缩；当暴露浓度升至 5 μM 时，其与 E. coli ΔtolC 突变体的菌体 PFDA 浓度更达250 μM，接近 60 倍富集。

如此高浓度的 PFAS 如何不杀死细菌？研究团队利用革命性的冷冻聚焦离子束-二次离子质谱（Cryo-FIB-SIMS）技术，首次在近生理状态下对细菌细胞进行了三维化学成像。结果显示，PFAS（如 PFNA）并非均匀分散在胞质中，而是形成明显的不均匀聚集体。这种独特的“保险箱”式储存方式，可能是细菌在高 PFAS 负荷下仍能存活和生长的关键。

研究还发现了 PFAS 进入细菌细胞可能涉及主动运输的关键证据。当研究人员比较活菌、死菌和裂解菌时，发现活性的 B. uniformis 和 O. splanchnicus 对 PFAS 的富集显著不同于灭活细胞。更重要的是，在大肠杆菌中敲除 TolC 外排泵（一种负责将异物泵出细胞的蛋白复合物关键组分）后，突变株（ΔtolC）对 PFDA 和 PFNA 的富集量分别增加了约 1.5 倍和 5 倍，同时这些突变株对 PFAS 的生长敏感性也更高。这表明野生型大肠杆菌能通过 TolC 泵部分地将 PFAS 排出胞外以自我保护；反之，当此泵失效，PFAS 便在胞内大量积累。这直接挑战了 PFAS 仅通过被动扩散进入细胞的传统认知，为理解其跨膜转运机制提供了重要线索。

并且研究人员将体外发现延伸至动物模型。团队将包含 20 株人源肠道细菌（Com20）的菌群定植到无菌（GF）小鼠肠道中，建立“人源化”小鼠模型。一次性灌胃给予 PFNA 后，与无菌对照组相比，定植菌群的小鼠在粪便中排出的 PFNA 量显著更高，且在灌胃后 3 小时、1 天、2 天以及第 3 天解剖采集的结肠内容物中均观察到这一趋势。当小鼠被定植高富集能力菌群（HC） 与低富集能力菌群（LC） 进行比较时，HC组小鼠粪便和肠道内容物中的 PFNA 水平也显著高于 LC 组。这直接证明了特定肠道细菌在体内能有效“捕获”PFAS，并促进其通过粪便途径排出体外，从而可能减少系统性暴露和蓄积。即使在相当于人类暴露水平（0.1 mg/kg 体重）的低剂量下，这一效应依然存在。

面对高浓度 PFAS 的压力，细菌也展现出适应性。通过实验室进化，B. uniformis、P. merdae 和 E. coli ΔtolC 等菌株对 PFAS 的生长耐受性提高了 1.3 至 46 倍，且进化后的菌株保留了亲本的 PFAS 富集能力。对 PFNA 适应的 B. uniformis 种群进行基因组测序，发现了 55 个与 PFAS 暴露相关的变异，其中超过一半位于非编码区，提示基因表达调控在适应中起重要作用。蛋白质组学分析显示，暴露于 PFNA 的 B. uniformis 和 E. coli ΔtolC 中，膜相关蛋白（尤其是 RND 家族外排转运蛋白） 的表达发生显著变化。靶向代谢组学则发现 B. uniformis 的氨基酸代谢发生扰动，呈现出类似酸应激的反应模式。这些发现共同描绘了细菌在富集 PFAS 时经历的生理重塑。

剑桥大学的这项研究颠覆性地揭示了人类肠道菌群，特别是以 B. uniformis 为代表的拟杆菌属细菌，作为高效“生物富集器”在应对“永久化学物质”PFAS 挑战中的关键作用。从惊人的富集速度与容量，到胞内聚集的独特储存策略，再到外排泵调控的主动转运证据，以及在动物体内促进排泄的明确效果，这一系列严谨的发现不仅深刻丰富了我们对 PFAS 环境行为和生物效应的理解，更重要的是，它为开发基于合成生物学和微生物组工程的革命性策略来减轻 PFAS 对人类健康的威胁，点燃了实质性的希望之光。未来，我们或许真的能借助这些微小的“盟友”，更有效地对抗这些顽固的环境毒素。

据悉，Patil、Anna Lindell（一作）等人共同创立了一家名为 Cambiotics 的初创公司，致力于开发能够清除体内 PFAS 的益生菌，并正在研究各种提升益生菌性能的方法。Cambiotics 的落脚点是位于哥本哈根的生物创新研究所（BioInnovation Institute），它是一家生命科学创新孵化器，资金由诺和诺德提供。

1.Lindell, A.E., Grießhammer, A., Michaelis, L. et al. Human gut bacteria bioaccumulate per- and polyfluoroalkyl substances. Nat Microbiol (2025). https://doi.org/10.1038/s41564-025-02032-5

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