相关资料图
缓释制剂皮下给药是递送蛋白质药物常用的策略，可避免首过效应，生物利用度高。然而，传统的缓释策略只能装载有限的药物，持续性仍然不足。工程益生菌作为一种新兴的“生物活药”，具有体内自我复制、持续生产药物等特殊功能，有望为皮下药物递送提供新策略。基于此，天津大学王汉杰课题组开发了工程菌微囊，用于在皮下持续生产和递送蛋白类药物分子，相关成果发表在Biomaterials，题目为“Hydrogel microcapsules containing engineered bacteria for sustained production and release of protein drugs”。研究思路：利用合成生物学技术设计改造工程菌底盘细胞，构建“生产-裂解”基因回路，用于生产释放相关蛋白因子，接着利用水凝胶微胶囊技术将构建好的工程菌封装起来，然后利用小鼠模型，探讨其皮下包埋后的安全性、持久释放性及相关疾病的调控效果，最后利用光遗传学探讨了对植入式“工程菌微囊”的清除效应。研究要点：（1）“生产-裂解”基因回路的构建：为了实现基于工程菌的蛋白质生产与递送，需要首先构建出用于蛋白质产物释放通用型回路。通过LuxI-LuxR群感响应系统控制裂解蛋白的表达，可实现工程菌群感裂解，并将表达的蛋白质产物持续释放到胞外。本文构建的“生产-裂解”基因回路可驱动工程菌以1.5小时左右为周期震荡裂解，并维持产物在培养基中的持续释放。（2）工程菌微囊的构建：为了将工程菌持久、安全的在皮下发挥作用，需要对工程菌进行封装。将工程菌封装于壳聚糖微囊，可避免工程菌的泄露。同时，工程菌微囊，仍可实现“生产-裂解”基因回路的功能，将蛋白质产物释放到微囊外。实验结果表明，微囊可以有效地限制工程菌泄露，保证了系统的安全性；可持续释放产物，最大允许纳米级别的蛋白质组装产物细菌微组分（BMC）释放到微囊外；可在体内持续表达近红外荧光蛋白，通过活体成像观察，工程菌微囊功能在体内维持不少于15天。（3）工程菌微囊的疾病防治初探：探索工程菌微囊生产释放重组蛋白产物，用于动物模型疾病防治的可行性。以糖尿病大鼠模型为例，将工程菌微囊植入皮下，可2周内持续生产释放重组多肽Exendin-4，使血糖降低约9个单位；在另一个例子中，工程菌微囊可释放以BMC为载体的OVA亚单位疫苗，在小鼠体内成功激活免疫并发挥了针对B16-OVA肿瘤的预防作用。（4）光遗传清除策略的探讨：为了确保工程菌在使用完毕后能够被清除，进一步保证工程菌微囊皮下给药安全性，本研究设计并构建了工程菌的光遗传清除策略。首先设计了基于蓝光响应系统EL222的光遗传清除基因回路，该回路采用了黑暗诱导解毒蛋白ccdA、蓝光诱导毒素蛋白ccdB表达的策略，在受到488nm激光照射时，工程菌实现死亡。携带光遗传清除基因回路的工程菌微囊，在体外或体内受到蓝光照射时，其中存活的工程菌均能降低约3个数量级。本项工作构建了一种基于“工程菌微囊”的新型生物活药，可一次性皮下注射给药实现持久的蛋白质药物生产与递送，提供了在皮下应用工程菌的新策略。该论文的第一作者是天津大学生命科学学院韩春丽，共同一作是天津大学生命科学学院张新宇，通讯作者为天津大学生命科学学院王汉杰，共同通讯作者为天津医科大学肿瘤医院赵培起。该研究工作获得国家重点研发计划“合成生物学”专项、国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金项目、面上项目等经费资助。
