溃疡性结肠炎（UC）是一种慢性肠道炎症，其特征是免疫过度活跃和肠道微生物群失衡，导致氧化应激和炎症。

2025年6月4日，首都医科大学卢洁、中国科学院惠辉共同通讯在ACS Nano 在线发表题为“Biosynthesis of Melanin with Engineered Probiotics for Oral Treatment of Ulcerative Colitis”的研究论文。该研究旨在消除氧化应激并恢复肠道微生物群平衡。益生菌的作用效果会受到胃肠道疾病的影响，干扰其粘附和活性。

包衣方法可以提高细菌在胃肠道环境中的存活率，但面临低pH下的不稳定、短期影响、复杂性、层相互作用和生物安全问题等挑战。类黑色素纳米酶在胃肠道环境中稳定，有效清除活性氧，专门针对结肠炎病变。作者从表达酪氨酸酶基因的转基因Nissle1917大肠杆菌中获得了生物合成黑色素生成工程菌（EcN-Mel），评估了UC小鼠模型口服EcN-Mel的可行性和有效性。结果表明，EcN-Mel产生和分泌黑色素，具有靶向肠道粘连、自由基清除能力和胃肠道稳定性。体内成像显示EcN-Mel在炎症肠段的定植效率和滞留时间增加。EcN-Mel增强了乳酸杆菌属有益菌群数量，减少变形杆菌属有害菌群，促进肠道菌群稳态，缓解结肠炎。EcN-Mel通过肠道菌群调节、氧化应激逆转、细胞因子调节和屏障修复等综合作用减轻肠黏膜损伤，证实了EcN-Mel治疗UC的安全性、可行性和有效性。

溃疡性结肠炎（UC）是一种以直肠和结肠炎症为特征的炎症性肠病，严重影响患者的生活质量。UC的复发风险高，迫切需要更深入地了解其发病机制以开发新型疗法。UC是由环境、遗传和免疫因素的复杂相互作用引起的，其与肠道屏障功能受损和微生物群破坏有关，从而增加免疫反应和活性氧（ROS）。在生理条件下，肠道微生物群调控粘液层的厚度和成分，保持肠道屏障功能并塑造结肠环境。菌群失调可导致粘膜免疫反应失衡、各种免疫相关信号通路的激活以及促进炎症的炎症级联反应。

这种破坏使有害微生物能够通过受损的肠上皮穿透固有层，发生以ROS积累为特征的过度免疫反应，引发氧化应激和炎症。因此，自我维持的正反馈回路触发各种病理信号通路，破坏肠道平衡，加重粘膜损伤。肠道生态失调既是慢性炎症和复发的催化剂，也是粘膜免疫功能受损的结果。5-氨基水杨酸（5-ASA）衍生物、免疫抑制剂、皮质类固醇和生物制剂等治疗UC的现有药物，可以部分缓解症状。然而，长期使用这些药物往往会导致负面影响，发生感染和代谢问题的风险更高。此外，部分患者对这些药物产生耐药性，导致治疗效果不理想。近年来，恢复肠道微生物群稳态和调节氧化应激已成为UC治疗的研究热点。

口服益生菌补充剂可以改善肠道菌群失调并减轻氧化应激，从而促进有益肠道菌群的恢复并减轻炎症反应。通过争夺营养物质，这一过程阻止了有害细菌的生长，有助于肠道微生物群的平衡。然而，益生菌在恶劣的胃肠道环境中生存能力降低，且由于肠道内容物的持续运输，益生菌的定植效率较差，治疗UC的临床疗效受到限制。微生物学、基因编辑和合成生物学的进步促进了工程细菌的产生，这些细菌可以调节肠道微生物群，以一种新的方式治疗胃肠道疾病。基因调控的工程益生菌可以有效地定植特定的肠道区域并发挥靶向功能。

当被改造成细菌时，微生物细胞工厂可以增强病变部位治疗性效应蛋白（如细胞因子、前药转化酶、细胞毒素和免疫调节剂）的产生和释放，实现稳定、持久的治疗效果。与传统药物递送系统相比，工程细菌具有生产成熟、可扩展性、设计灵活性、使用方便和生物相容性等独特优势。基因工程细菌代表了一种有效治疗方法，为治疗UC提供了新途径。为提高细菌在酸性胃环境和胆汁存在下的存活和定植稳定性，已经探索了多种保护性涂层策略（如壳聚糖、乳清蛋白、纳米颗粒和复合材料）。然而，这些策略通常受到酸性环境中不稳定、疗效持续时间有限、生产成本高、制造工艺复杂、包衣层之间潜在的相互作用以及生物安全性等问题。因此，迫切需要开发具备生物相容性、胃肠道耐受性和易于制造的工程益生菌。

图1口服EcN-MEL治疗结肠炎示意图（摘自ACS Nano）

黑色素是一种天然色素，具有强大的抗氧化和抗炎特性。通过清除ROS、减轻氧化应激诱导的损伤和调节炎症途径来保护肠粘膜，从而促进肠道稳态。此外，阳离子蛋白在肠道炎症位置的积累有助于通过静电相互作用附着在带负电荷的黑色素表面。黑色素表面的羟基可以与炎症部位蛋白质和多糖中的极性官能团形成氢键，加强黑色素纳米颗粒与这些分子之间的结合，进一步稳定黑色素纳米颗粒与炎症微环境中生物分子之间的结合，增加黑色素在炎症部位的积累。因此，靶向策略不仅提高了黑色素纳米颗粒的治疗效果，而且最大限度地减少了全身副作用。此外，黑色素促进肠道菌群平衡并增强肠道屏障功能，是UC治疗的理想候选者。然而，直接使用外源性黑色素存在难以规模化生产和保留浓度有限等问题。生物体可以生物合成黑色素，其中大肠杆菌（E.coli）Nissle1917（EcN）是最常用的生物合成表达载体，具备抗炎、抗菌特性以及调控肠道微生物群的能力。因此，开发能够合成黑色素的工程细菌为恢复肠道微生物群稳态提供了一种有效方法，可以通过同时调节肠道微生物群的稳定性和维持氧化还原平衡来提高UC治疗效果。

该研究提出了一种在EcN中表达酪氨酸酶基因的基因工程方法，得到一种名为EcN-Mel的菌株，该菌株能够原位合成黑色素。EcN-Mel产生的黑色素作为一种抗氧化剂，保护工程细菌免受ROS和恶劣的胃肠道疾病的影响，从而提高其生存能力。此外，EcN-Mel能够靶向粘附到肠粘膜上，促进细菌在肠道内长时间定植。该研究的目的是评估口服EcN-Mel在葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的UC小鼠模型中的可行性和有效性，并研究其潜在的治疗机制。该方法特异性靶向并减轻氧化应激介导的结肠粘膜组织的炎症损伤，从而提供一种UC治疗的新方法。

参考消息：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c17942

Tags： ACS Nano：首都医科大学卢洁等团队合作构建合成黑色素的工程益生菌治疗溃疡性结肠炎