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针对上述问题，新加坡国立大学Matthew Wook Chang教授团队设计并构建了一套基于工程化植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）的活体生物药（LBPs）平台。研究者顺利获得合成生物学手段，在第一种菌株中整合了异源代谢酶，使其能够摄取肠道内的氨并将其转化为L-缬氨酸（一种关键BCAA）；同时构建了第二种过表达内源性谷氨酰胺代谢酶的菌株，顺利获得加速谷氨酰胺代谢来阻断其转化为氨。该设计严格遵循FDA关于LBP的指导方针，采用基因组集成技术确保了功能基因的遗传稳定性，并消除了抗药质粒传播的风险。实验结果显示，口服该工程化益生菌组合能显著降低肝性脑病模型动物血清及大脑中的氨水平，并有效改善其焦虑样行为。因此，这种仿生代谢“微工厂”顺利获得在肠道内持续执行多靶点代谢修复，为肝-肠-脑轴相关疾病的精准治疗给予了创新范式。该文章于2026年4月24日以《Engineered commensals for metabolic modulation of the gut-liver-brain axis》为题发表于 《Cell》（DOI：10.1016/j.cell.2026.03.048）。

（1）代谢物相关性表征及活体生物药（LBP）底盘细胞的筛选

研究团队第一时间顺利获得给小鼠给予高氨饮食成功诱导了高氨血症模型。代谢组学分析显示，血清氨水平与支链氨基酸（BCAA）水平呈显著负相关（Pearson’s r = −0.694），而与L-谷氨酰胺（L-glutamine）水平呈显著正相关（Pearson’s r = 0.765）。这一结果证实了在高氨血症病理状态下，机体会出现L-谷氨酰胺的异常蓄积与BCAAs的耗竭，从而明确了同步“清除氨/谷氨酰胺”并“补充BCAA”的治疗设计思路。在底盘细胞的选择上，研究者对14种具有代表性的共生菌和益生菌株进行了氨代谢活性筛选。实验发现，尽管Lactobacillus salivarius表现出最高的氨同化活性，但因其约20%的基因位于复杂的巨型质粒上，不利于遗传操作的稳定性和目标基因的精准改造。因此，研究团队最终选择氨代谢活性位居第二、且遗传背景清晰、基因操作工具成熟的植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）作为构建工程化LBP的底盘细胞。

图1. 肝性脑病中的代谢物变化。(A) 示意图展示氨循环及不同器官中各种代谢物的利用或合成，导致脑病；(B) 示意图展示工程化共生菌治疗前后关键HE代谢物的预期变化。

（2）工程化改造植物乳杆菌实现氨同化与支链氨基酸（BCAA）的合成

研究团队顺利获得引入异源代谢途径，构建了能利用丙酮酸和游离氨直接合成L-缬氨酸（L-valine）的工程菌株。核心策略包括整合来自Lactococcus lactis的ilvC、ilvD基因以及来自Bacillus subtilis的bcd基因；其中，bcd编码的酶具有直接利用游离氨作为底物将其转化为氨基的独特能力（图2A）。为了消除代谢瓶颈，研究者第一时间顺利获得基因组集成技术将上述基因家族植入底盘细胞的噬菌体岛区域，并进一步敲除了消耗底物丙酮酸的乳酸脱氢酶（ldh）、乙酰乳酸脱羧酶（aldc）以及降解缬氨酸的氨基转移酶（bcaT）等竞争途径基因。

实验结果显示，单基因或双基因敲除显著提升了细菌的氨利用效率，其中双敲除菌株（Liv-ΔΔ1）的氨消耗量较初始菌株提升了约4倍（图2C, 2D）。为进一步突破翻译水平的限制，研究团队利用核糖体结合位点（RBS）计算器优化了关键酶的翻译启动速率（TIR），顺利获得强化bcd和ilvBN的表达，最终构建出候选菌株Lp-NH3（图2E）。相比于野生型，Lp-NH3在体外环境下的氨利用率提升了约6倍，并伴随0.6–0.8 mM的L-缬氨酸产量提升（图2E）。这一结果证实，顺利获得精准的代谢流重定向和翻译调控，可以显著增强工程益生菌在复杂环境下的氨同化与营养合成能力。

图2. L. plantarum基因工程改造实现氨利用与L-缬氨酸合成及L-谷氨酰胺代谢。(A) 左：从丙酮酸和氨合成L-缬氨酸的代谢途径及竞争途径；右：L. plantarum基因组改造示意图，紫色为内源基因、橙色为异源基因、红色叉号为敲除基因；(B) LpWT及工程菌株的氨消耗和BCAA产量；(C) 单基因敲除竞争酶对工程菌株氨消耗和BCAA产量的影响；(D) 双基因敲除竞争酶对工程菌株氨消耗和BCAA产量的影响；(E) 过表达ilv途径酶对工程菌株氨消耗和BCAA产量的影响；(F) 增强L-谷氨酰胺利用的遗传工程示意图（转运蛋白、转化模块、消耗模块）；(G) 质粒过表达酶的L-谷氨酰胺消耗水平；(H) 基因组整合酶的L-谷氨酰胺消耗水平；(I–K) RT-qPCR热图显示Lp-NH3和Lp-Q菌株中基因表达变化。菌株在含1 mM NH₄Cl（B–E）或1 mM L-谷氨酰胺（G、H）的最低培养基中37 °C孵育4 h。数据为mean ± SE（n = 3），*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001。

（3）工程化植物乳杆菌实现L-谷氨酰胺（L-glutamine）的高效代谢

为了在不产生游离氨的前提下加速L-谷氨酰胺的消耗，研究团队构建了一个由“转化模块”与“耗竭模块（Sink module）”组成的双重代谢系统（图2F）。研究者第一时间分析了植物乳杆菌中涉及糖代谢、嘌呤及嘧啶合成的谷氨酰胺依赖型酶，筛选并过表达了glms1、purF和carAB基因，同时强化了谷氨酰胺转运蛋白的表达。实验发现，单纯过表达转化酶并未显著提升谷氨酰胺的利用率（图2G），研究者推测这是由于产物L-谷氨酸（L-glutamate）蓄积产生的负反馈抑制所致。为此，研究团队引入了proB基因作为“耗竭模块”，将谷氨酸转化为L-谷氨酰-5-磷酸以驱动代谢流向前运行。

实验结果验证了该假设：引入proB后，菌株对谷氨酰胺的利用能力显著提升，其中同时表达glms1和proB的菌株表现出最高的消耗速率。研究团队随后将该功能模块整合至基因组，构建了最终菌株Lp-Q。转录组及蛋白质印迹（Western blot）分析证实，Lp-Q菌株中目标基因的转录水平提升了3至5.7倍，且蛋白质表达条带符合预期分子量（图2K）。此外，生长曲线与抗生素敏感性测试显示，工程改造未对菌株造成明显的代谢负担，且成功清除了抗性基因，确保了活体生物药在复杂肠道环境中的遗传稳定性与生物安全性。

（4）高氨血症小鼠模型中工程化菌株的体内代谢调节与疗效评价

研究团队顺利获得长期高氨饮食诱导建立了高氨血症小鼠模型，旨在评估工程菌在体内对氨清除、BCAA合成及L-谷氨酰胺代谢的调节能力（图3A）。实验结果显示，与生理盐水对照组和野生型菌株（LpWT）相比，口服Lp-NH3、Lp-Q、Lp-NH3+Q（联用组）以及临床常用药利福昔明（RFX）均能有效降低血清氨水平，其中Lp-NH3表现出最强的降氨效果（较对照组降低约3-4倍）（图3B）。同时，Lp-NH3组小鼠的血清BCAA水平显著升高，证实该菌株能在体内成功将肠道内的氨转化为BCAA（图3C）；而Lp-Q及联用组则显著降低了血清中的L-谷氨酰胺含量（图3D）。

在中枢神经系统层面，除Lp-Q单药组外，其余治疗组均显著降低了脑组织中的氨浓度（图3E）。值得注意的是，尽管多个组别能调节血氨，但唯有Lp-NH3+Q联用组成功将脑内的L-谷氨酰胺水平恢复至与健康对照组相当的水平（图3G），这凸显了同时干预氨和谷氨酰胺代谢在维持脑部代谢稳态中的协同作用。在行为学表征上，旷场实验（OFT）显示，接受Lp-NH3或Lp-NH3+Q治疗的小鼠在中心区域的探索距离显著增加，表明其高氨血症诱发的焦虑样行为得到了显著缓解（图3H）。综上所述，该工程化益生菌平台不仅在生化指标上修复了代谢紊乱，更在功能水平上改善了神经症状，为其在更复杂的肝性脑病（HE）模型中的应用给予了强有力的证据。

图3. 工程化L. plantarum菌株在高氨血症小鼠模型中的评价。(A) 治疗方案、持续时间和行为测试时间线示意图；(B–D) 小鼠血清中氨、BCAA和L-谷氨酰胺水平（n = 4–5）；(E–G) 小鼠脑中氨、BCAA和L-谷氨酰胺水平；(H) 旷场试验中小鼠在内区行走距离占总距离的百分比。对照组为健康小鼠。数据为mean ± SE（n = 5）。红色虚线表示健康小鼠水平。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。

（5）胆管结扎（BDL）肝衰竭模型中的代谢调节与系统性评价

虽然高氨饮食模型有助于初步评估降氨能力，但无法完全模拟肝衰竭引起的肝性脑病（HE）复杂病理。为此，研究团队采用胆管结扎（BDL）模型模拟继发性胆汁性纤维化和肝损伤，从而损害尿素循环解毒功能（图4A）。实验结果显示，口服Lp-NH3+Q 联用菌株表现出最显著的治疗效果，其血清氨水平较对照组降低了约10倍，效果优于临床一线药物利福昔明（RFX，约6倍降幅）和单菌株组（图4C）。此外，Lp-NH3 和 Lp-NH3+Q 组的粪便氨水平也恢复正常，证实了工程菌在肠腔内对氨的直接消耗。

在脑部代谢调节方面，Lp-NH3+Q 治疗组的脑氨水平下降最为显著（较对照组降低约6倍）（图4F），并伴随脑部支链氨基酸（BCAA）水平的明显升高（图4G）。研究者认为，脑部 BCAA 的蓄积可能归因于血脑屏障（BBB）转运活性的改变，这作为一种补偿机制有助于维持氮平衡。值得注意的是，在 BDL 模型中，Lp-NH3+Q 联用组展现出的卓越降氨能力，再次强调了同步干预氨和谷氨酰胺代谢对于处理肝衰竭诱发的系统性代谢紊乱的必要性。这些发现充分证实了工程化植物乳杆菌平台在模拟人类 HE 复杂病理环境下的强大治疗潜力。

图4. 工程化L. plantarum菌株在BDL小鼠模型中的评价。(A) 治疗方案、持续时间和行为测试时间线示意图；(B) BDL小鼠每日体重变化百分比；(C–E) 治疗期末小鼠血清中氨、BCAA和L-谷氨酰胺水平；(F–H) 治疗期末小鼠脑中氨、BCAA和L-谷氨酰胺水平。对照组为假手术小鼠。数据为mean ± SE（n = 5）。红色虚线表示假手术小鼠水平。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。

（6）行为学障碍的逆转与大脑转录组调控机制解析

在验证了代谢调节作用后，研究团队进一步顺利获得行为学阵列评价了工程菌对肝性脑病（HE）典型症状的改善作用。在胆管结扎（BDL）模型中，小鼠表现出严重的短期记忆受损和焦虑样行为（图5A-5E）。实验结果显示，Lp-NH3显著提升了小鼠在涉及新物体识别（NOR）测试中的辨别指数，有效改善了短期记忆；而Lp-NH3+Q联用组在提升旷场实验（OFT）和高架零迷宫探索能力方面效果最为显著，与该组小鼠脑内氨水平降至最低及BCAA水平升高的趋势高度一致。

为了进一步揭示其内在机制，研究者对大脑组织进行了转录组测序（RNA-seq）分析。结果表明，BDL导致的肝衰竭引发了大脑基因表达谱的剧烈改变，而Lp-NH3+Q治疗组展现出了与假手术组（Sham）最相似的基因表达模式。通路富集分析（GO分析）显示，BDL显著抑制了大脑中G蛋白偶联受体（GPCR）的活性，而工程菌治疗能有效恢复涉及多巴胺受体（Drd1/2/3）、组胺受体（Hrh1）及代谢型谷氨酸受体（Grm3）等关键神经信号通路的基因表达（图5G-5J）。相比之下，临床药物利福昔明（RFX）虽能顺利获得降低神经炎症（如抑制 Il17、Il1b）发挥部分疗效，但无法恢复上述关键的神经通路调控基因（图5L）。因此，工程菌顺利获得减少脑氨、提升BCAA以及协同修复神经信号传导和抑制神经炎症，实现了对肝性脑病更全面的神经保护作用（图5M）。  

图5. 工程化L. plantarum菌株治疗BDL小鼠的行为和转录组效应。(A、B) NOR试验中BDL小鼠对新物体的辨别指数（次数和持续时间）；(C) 高架零迷宫试验中BDL小鼠的探头次数；(D) 旷场试验中BDL小鼠在内区行走距离百分比；(E) 旷场试验中BDL小鼠在内区停留时间百分比；(F) Y迷宫试验中BDL小鼠自发交替百分比。数据为mean ± SE（n = 5）。红色虚线表示假手术小鼠水平。(G–I) 各治疗组vs对照组GO富集分析Top 10术语；(J) GPCR活性相关基因热图；(K) 单胺能神经元信号相关基因热图；(L) 神经炎症相关基因热图；(M) Lp-NH3+Q治疗相关治疗效果示意图。

（7）肠道微生态稳态维护与长期安全性评估

肝性脑病（HE）的慢性病程要求治疗策略在具备显著药效的同时，必须能长期维持肠道微生态稳态并具备优异的安全性。然而，宏基因组分析显示，临床一线广谱抗生素利福昔明（RFX）在降氨的同时，会显著降低肠道菌群的物种丰富度（ACE和Chao1指数）及 $\alpha$ 多样性（Simpson和Shannon指数），导致 Alistipes 和 Roseburia 等有益菌属丰度下降，进而诱发微生态失调（图6A–6E）。相比之下，工程化菌株 Lp-NH3+Q 能够有效保留肠道菌群的多样性，并维持关键有益菌的相对丰度（图6E）。β多样性分析（PCoA）进一步显示，尽管联用组诱导了群落结构的特异性偏移，但其对微生态平衡的干扰显著低于传统抗生素。

针对长期给药的安全性问题，研究者在健康小鼠模型中进行了为期28天的陆续在评价。结果显示，Lp-NH3+Q 治疗组小鼠体重增长正常（图6F），且未观察到病理性细菌易位或全身性播散（心、脾均未检出）；虽然在肠系膜淋巴结（MLNs）和肝脏中检测到极低水平的工程菌（约 10^2 CFU/g，较盲肠载量低约 10^4 倍），但这符合生理性免疫采样规律（图6G）。血液学监测显示，白细胞群体（中性粒细胞、淋巴细胞等）、红细胞计数及血红蛋白水平均保持稳定，未引发全身炎症反应。生化分析证实，除血尿素氮（BUN）因氨同化作用而显著下降外（图6H），肌酐、白蛋白、ALT及总胆红素等关键指标均处于正常范围内，提示主要器官功能完好（图6I–6L）。此外，工程菌在肠道内可维持稳定的定植载量，但在停止给药72小时内即可完全从粪便中清除（图6M）。因此，该工程化益生菌平台在实现高效代谢调控的同时，展现了优异的微生态兼容性与临床转化安全性。

图6. BDL小鼠肠道菌群分析及工程化L. plantarum菌株安全性评价。(A–D) 肠道菌群α多样性指标：ACE、Chao1、Simpson和Shannon指数（n = 3笼/组）；(E) 前15个最丰富细菌属的相对丰度；(F) 健康小鼠28天每日口服氯霉素抗性Lp-NH3+Q的体重变化百分比；(G) 各器官中氯霉素抗性Lp-NH3+Q的细菌易位评估（脾和心脏检测限约2 log₁₀ CFU/g）；(H–L) 血液生化参数：BUN、肌酐、白蛋白、ALT、总胆红素；(M) 给药期间（蓝色阴影）及停药后粪便中Lp-NH3+Q的持久性和清除情况。数据为mean ± SE（n = 5）。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001, ****p < 0.0001。