智能菌攻克肾结石！斯坦福团队改造肠道细菌，精准降解尿液草酸

肠道微生物组如同一座复杂生态网络，拥有被激发的巨大治疗潜力。然而，让外来工程菌在其中稳定定植、精准工作、又能安全撤除，一直是合成生物学的核心难题。

近日，斯坦福大学 Sonnenburg 和 DeLoache 团队在 Science 发表一项引人注目的研究“Controlled colonization of the human gut with a genetically engineered microbial therapeutic”，展示了一种具备“专属营养来源”和“分子安全开关”的工程化共生菌，不仅能在人肠内可控定植，还成功执行了降低尿液草酸改善肾结石的治疗功能。这一成果也揭示了工程菌在人体应用中遭遇的基因逃逸与水平转移等严峻挑战。

研究团队选用人肠道中丰度较高、生态稳定的普通拟杆菌 Phocaeicola vulgatus 作为底盘菌，并赋予其两项关键功能。一是通过引入紫菜聚糖利用基因簇，为工程菌提供特定的营养来源。由于紫菜聚糖（porphyran）主要存在于海藻中，而西方人群中仅有极少数人的肠道菌群具备利用能力，这一“稀有底物”营养生态位几乎成为工程菌的专属补给。口服紫菜聚糖不仅显著提升了工程菌在肠道内的竞争优势，也为其提供了剂量依赖性的定植控制手段。

二是构建条件性减毒模块，将必需基因 argS 的启动子替换为紫菜聚糖诱导型元件。缺乏紫菜聚糖时，工程菌将因无法表达该酶而失去生长能力，形成可撤除的生物屏障。相比传统抗性策略，这种开关对交叉喂养和常见突变更具抵抗力。为防止极少数情况下感应器突变导致的开关失效，团队进一步开发了三层正交控制系统，利用不同感应器调控三个独立的必需基因，从而极大地降低了逃逸概率。

在搭建完成定植平台与安全机制后，研究者为该工程菌装载了高效草酸降解通路，包括一个草酸转运蛋白和四种催化草酸转化的关键酶。通过酶组合筛选优化后，工程菌在模拟肠道条件下展现出每小时可降解 9-15 mmol 草酸的强效能力，尽管在高草酸浓度下也出现了一定的生长负担。

动物模型验证显示，这一工程菌株（NB1000S）在饮食性高草酸尿症大鼠模型中显著降低了 47% 的尿草酸水平，并且降解效果与紫菜聚糖摄入量呈强相关性。在模拟减肥手术后继发 EH 的大鼠模型中（RYGB 手术模型），NB1000S 更是完全阻断了手术引起的 51% 尿草酸升高。更关键的是，工程菌在移植人类肠道菌群的小鼠中也展现出可控清除的能力，大多数小鼠在停止补充紫菜聚糖后，工程菌数量降至检测下限。尽管部分个体出现菌株反弹，但测序发现其与开关感应器点突变有关，提示开关稳定性在真实肠道生态中仍有待优化。

图 | 工程菌在饮食性高草酸尿症大鼠模型中显著降低尿草酸水平

长达 421 天的动物实验进一步验证了工程菌在长期供给紫菜聚糖情况下不易逃逸，但草酸降解通路的稳定性仍显不足，超过一半的菌株丧失了原有的治疗能力。由此可见，治疗通路的遗传稳定性成为限制疗效持续性的又一技术瓶颈。

进入临床 1/2a 期试验后，工程菌在健康志愿者中表现出良好安全性，仅有轻微胃肠反应，菌群多样性未受扰动。停止紫菜聚糖补充后，大部分人可在短期内清除工程菌，未见反弹。但仍有 4 人出现长时间定植，经分析发现部分菌株通过感应器点突变或基因组重排激活了原本受控的必需基因表达，导致开关失效。

在第二阶段临床中，工程菌在 9 名 EH 患者中继续接受测试，结果展现出重要的疗效信号。在成功定植者中，工程菌展现出良好的稳定性与功能性，患者尿液中的草酸盐水平平均下降了约 27%，为其在真实患者体内的治疗潜力提供了有力支撑。患者对治疗的耐受性同样良好，未见严重不良事件，安全性表现稳定。

尽管治疗耐受性依然良好，但工程菌的定植水平较低，可能与患者肠道草酸负荷增加所带来的生长代价有关。更为严重的是，研究首次在人类患者体内发现了大规模水平基因转移事件。在多数可评估患者中，工程菌或其治疗功能模块发生了被动丢失或主动扩散，表现为通路和开关被大片段外源 DNA 替换，或工程菌的紫菜聚糖利用模块被转移到宿主肠道中原生的 Phocaeicola vulgatus 菌株上。不过实验证实，通过将基因模块物理分隔，可以有效降低这种 HGT 风险。

图 | 在 EH 患者中发现大规模水平基因转移事件，而在健康志愿者中未见此现象

斯坦福团队首次在人类体内实现了工程菌的剂量调控定植、可控清除与功能执行，是活菌疗法发展的关键一步。未来研究应聚焦于更鲁棒的多层开关设计，结合基因分隔与元件最小化以降低转移风险，同时提升治疗通路的遗传稳定性。该“专属生态位+生物开关”的策略不仅适用于降草酸，也有望扩展至炎症、代谢和神经类疾病的微生物疗法开发。

1.Weston R. Whitaker et al.,Controlled colonization of the human gut with a genetically engineered microbial therapeutic.Science389,303-308(2025).DOI:10.1126/science.adu8000

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