综述：工程化益生菌：对抗耐抗生素细菌感染的新一代疗法

《Food Frontiers》：Engineered Probiotics: The Next-Generation Therapeutics to Combat Antibiotic-Resistant Bacterial Infections

全球抗生素耐药性细菌感染负担加重，传统益生菌疗效有限。本文综述工程化益生菌通过基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）增强抗菌肽（AMPs）表达、毒素结合、免疫调节等机制，有效清除耐药菌并改善肠道微生态。相较于传统益生菌，工程化益生菌具有靶向性强、适应复杂肠道环境、减少抗生素残留等优势，但需解决基因稳定性、环境安全及临床验证等挑战。

　　随着全球范围内抗生素耐药性细菌（ARB）引发的感染性疾病日益增多，这种现象已成为临床管理和公共卫生体系的重大挑战。据世界卫生组织的评估，仅在2019年，就有约500万例死亡与ARB相关，而在2013年美国的报告中，约有23000人因ARB死亡，同时有约200万人受到感染（Frieden, 2013；Murray, 2022）。抗生素作为治疗细菌感染的主流药物，其广泛使用和滥用导致了耐药性细菌的迅速发展。传统抗生素在抑制病原体的同时，也破坏了人体内的共生微生物群，从而可能加剧感染的复杂性，并促进耐药机制的形成。因此，寻找替代疗法和新型治疗策略变得尤为迫切。

近年来，益生菌因其在治疗多种疾病方面的潜力而受到越来越多的关注。益生菌作为活的微生物，不仅能够改善肠道微生态，还在调节免疫反应、缓解生理压力、以及减少某些细菌引起的炎症方面展现出积极作用。然而，益生菌在应对耐药性细菌方面存在一定的局限性，例如其作用范围有限，难以维持长期的治疗效果（Feehan and Garcia-Diaz, 2020；Kesavelu and Jog, 2023；Wang, Meng, et al., 2024）。因此，科学家们开始探索通过基因工程技术改造益生菌，使其具备更强的抗菌能力和更精确的治疗效果，从而形成“工程益生菌”这一新兴领域。

工程益生菌是通过基因编辑技术对传统益生菌进行改造，使其能够表达特定的抗菌肽（AMPs）或其他治疗性分子，从而更有效地清除耐药性细菌。这些工程菌株不仅能够更精准地靶向病原体，还能在体内进行特定的信号识别和响应，实现对病原体的清除，同时避免对宿主的不良影响。这种“活体治疗”策略为解决抗生素耐药性问题提供了新的思路，同时也为未来的医学研究开辟了广阔的前景。

在工程益生菌的设计与开发过程中，科学家们采用了多种策略。例如，通过基因合成和基因组缩减等方法，可以增强益生菌的生物活性和适应性（Mugwanda et al., 2023）。此外，利用CRISPR-Cas9系统进行基因编辑，使益生菌能够更精确地表达特定的治疗性蛋白，如抗菌肽、抗体或毒素中和因子。这种方法不仅提高了益生菌的治疗效果，还增强了其在复杂微环境中的存活能力。例如，通过在工程益生菌中引入糖基转移酶基因，使其能够结合并中和某些细菌分泌的毒素，从而有效清除感染源（Paton et al., 2001）。

工程益生菌在多种疾病治疗中展现出显著的优势。它们不仅能够靶向清除耐药性细菌，还能通过调节免疫系统、减少炎症反应、以及增强肠道屏障功能，改善宿主的整体健康状况。例如，一些工程益生菌能够分泌特定的免疫调节分子，如IL-10，从而有效控制炎症性肠病（IBD）的发展（Kojouharoff et al., 2003；Steidler et al., 2000）。此外，工程益生菌还可以通过中和毒素、降低细菌的毒力因子表达、以及阻断病原体与宿主细胞的结合，来抑制病原体的传播和感染（Chamas et al., 2024；Mathipa and Thantsha, 2017；Abdulqadir et al., 2024）。这些机制使得工程益生菌在对抗耐药性细菌方面比传统益生菌更加高效。

尽管工程益生菌在治疗效果和靶向性方面具有明显优势，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，工程益生菌的安全性问题备受关注。虽然大多数益生菌被认为对人体无害，但一些基因改造的益生菌可能携带潜在的致病基因，或者在体内长期存活，从而引发不可预测的后果。因此，在将其应用于临床之前，必须进行全面的安全评估（Abouelela and Helmy, 2024）。其次，环境安全也是工程益生菌应用中不可忽视的问题。由于工程益生菌可能通过粪便排出体外，其在环境中可能对生态系统造成潜在影响。为此，科学家们正在研究如何通过生物安全系统或“自杀开关”技术，确保这些工程菌株在特定条件下能够自我终止，从而避免环境污染（Bober et al., 2018；Lee et al., 2018）。

此外，工程益生菌的基因稳定性问题也是其推广过程中的一大挑战。在生物反应器中培养的工程益生菌可能因外界环境因素而发生基因突变，这不仅会影响其治疗效果，还可能引发不可控的后果。因此，研究人员正在探索使用可调控的启动子系统，以确保工程益生菌在宿主体内能够稳定表达所需的治疗性基因（Isabella et al., 2018）。同时，基因水平转移（HGT）的风险也不容忽视。如果工程益生菌携带抗生素抗性基因（ARGs），这些基因可能会转移到其他细菌中，从而导致新的耐药性菌株的出现。因此，工程益生菌的设计需要避免携带ARGs，并采用无质粒或无移动遗传元件（MGEs）的构建方式，以降低基因转移的风险（Jeong et al., 2019；Lerminiaux and Cameron, 2019）。

在临床试验方面，尽管已有部分工程益生菌进入研究阶段，但其在人体中的实际疗效仍需进一步验证。例如，一些研究显示，工程益生菌能够显著降低肠道中的耐药性细菌数量，但在大规模临床试验中，其效果可能因个体差异而有所不同。此外，工程益生菌的生产成本较高，这限制了其在医疗体系中的广泛应用（Fogel, 2018）。因此，如何提高工程益生菌的生产效率、降低成本，并确保其在不同人群中的安全性和有效性，是未来研究的重点方向。

工程益生菌作为一种新兴的治疗策略，其潜力巨大，但也需要克服诸多技术和社会层面的障碍。一方面，科学家们需要进一步优化基因工程方法，以提高工程益生菌的治疗效果和安全性；另一方面，政府和监管机构需要制定相应的政策，以规范工程益生菌的研发和应用，确保其在医疗和环境中的可控性。此外，公众对基因工程微生物的认知和接受度也会影响工程益生菌的推广。因此，提高公众对这类新兴疗法的了解，增强其信任感，也是推动工程益生菌发展的关键。

总的来说，工程益生菌代表了现代医学在应对抗生素耐药性问题上的重要进展。它们不仅能够提供更精准、更有效的治疗手段，还可能在一定程度上减少对传统抗生素的依赖，从而缓解全球范围内抗生素耐药性的危机。然而，要实现工程益生菌的广泛应用，仍需在安全性、稳定性、临床疗效以及成本控制等方面进行深入研究和优化。未来，随着基因工程技术的不断进步，以及对益生菌生态和功能的进一步理解，工程益生菌有望成为治疗耐药性感染的重要工具，为人类健康带来新的希望。