综述：基于益生菌的材料作为活体治疗剂

《Advanced Materials》：Probiotic-Based Materials as Living Therapeutics

工程化 living materials（ELMs）通过整合合成生物学与材料科学，为医疗提供动态响应的智能材料。基于益生菌的PLMs在伤口愈合、感染治疗、骨修复等领域展现潜力，通过基因工程增强其靶向治疗和传感功能，但仍需解决生物安全性、监管框架及长期稳定性等问题。

　　近年来，随着对更安全、更具针对性的治疗手段需求的增长，先进生物材料的开发成为生物医学领域的重要方向。其中，工程化活体材料（Engineered Living Materials, ELMs）作为整合合成生物学与材料科学的新兴平台，展现出广阔的应用前景。ELMs 通常由活体成分和非活体基质组成，通过自下而上或自上而下的方法制造，能够实现对环境刺激的感知与响应，具有自我修复、动态调节、可持续性和靶向治疗等特性。本文重点探讨了一种特殊的 ELMs 子类——益生菌活体材料（Probiotic Living Materials, PLMs），与活体生物制品（Living Biotherapeutic Products, LBPs）区分开来。PLMs 在治疗多种健康问题方面展现出潜力，包括感染、骨修复、伤口愈合、阴道失衡、肠道疾病和癌症治疗等。然而，其在临床应用中仍面临诸多挑战，如缺乏对益生菌工程的成熟工具包、生物安全性问题（如水平基因转移或非预期生物活动）、从动物实验到人体临床的转化困难，以及缺乏明确的监管框架。

### ELMs 的基本特性与应用潜力

ELMs 的核心特征在于其活体成分与非活体基质的协同作用。活体成分可以是细胞、细胞群、孢子或病毒，而非活体基质则可以是无机或有机、天然或合成的材料。ELMs 可以分为生物活体材料（bELMs）和混合活体材料（HLMs），前者完全由活体细胞构成，后者则是在支架中整合活体细胞。这些材料能够实现比传统生物材料更高的结构复杂性、组织有序性和响应性，因此在生物制造、生物传感、能量转换、生物修复、生物催化、材料合成等领域具有广泛应用前景。同时，ELMs 的可持续性使其成为环境友好型材料的重要候选。

### 活体成分的选择与功能增强

活体成分的选择通常取决于最终应用需求，但多数情况下基于细菌，如肠杆菌科、大肠杆菌、乳酸菌等。这些微生物具有生长快、易于操作和能够合成多种有机和无机化合物的能力，使其成为 ELMs 的理想构建单元。在某些情况下，微生物的衍生结构，如纳米颗粒、细胞外囊泡、病毒样颗粒、细菌鬼影等，也可以作为 ELMs 的组成部分，尽管它们本身无法维持生命活动，但仍能作为智能响应单元。此外，细菌孢子、基因最小化菌株和无染色体细菌细胞（SimCells）也已被用于 ELMs 的构建。

在 ELMs 的开发中，活体成分的工程化是关键。通过合成生物学技术，可以对活体成分进行基因修饰，使其能够感知特定的环境信号并产生相应的生物反应。例如，大肠杆菌 Nissle 1917（EcN）可以被改造为能够响应硝酸盐（NO）的基因调控系统，从而在特定微环境中释放治疗性蛋白。此外，还可以通过基因工程使益生菌表达特定的酶或蛋白，如通过工程化策略使 EcN 能够在肠道中表达骨形态发生蛋白 2（BMP-2）以促进骨修复，或使乳酸菌（Lactococcus lactis）表达免疫调节因子以治疗炎症性肠病。

### 非活体成分的功能与结构设计

非活体成分作为 ELMs 的支架，主要功能是提供稳定的结构和适宜的环境，以支持活体成分的功能发挥。非活体材料可以是无机材料（如金属、矿物质、陶瓷、玻璃等）或有机材料（如聚合物、蛋白质、多糖等）。例如，聚合物基质可以被设计为具有可调节的机械性能、磁性或响应特定刺激的特性。此外，通过将无机纳米颗粒（如铁氧化物、金纳米颗粒）与活体成分结合，可以赋予 ELMs 更高的生物功能，如用于癌症的光热治疗。通过将生物材料与无机材料结合，可以形成复合材料，如金属有机框架（MOFs）包裹厌氧菌，或通过在聚乙烯醇（PVA）水凝胶中嵌入铁氧体纳米颗粒，从而增强 ELMs 的功能性。

### ELMs 的制造技术

ELMs 的制造技术通常分为自下而上和自上而下两种策略。自下而上方法利用微生物自身合成的生物聚合物，如细菌纤维素（BNC）或自组装蛋白，构建具有特定结构和功能的材料。而自上而下方法则通过将活体成分封装在外部材料中，如水凝胶、纳米颗粒或生物可降解聚合物，实现对细胞的保护和功能调控。这两种方法各有优劣，自下而上方法更依赖于生物系统本身的特性，而自上而下方法则可以通过外部材料提供更多的可控性。

例如，一种基于大肠杆菌的 ELM 可以通过与铁氧体纳米颗粒结合，形成具有磁性的生物材料，用于靶向治疗。另一种 ELM 则是通过将益生菌与生物可降解的聚合物结合，使其能够在体内释放治疗性蛋白。这些材料的制造通常需要结合多种生物和材料工程技术，以确保其功能性和安全性。

### 靶向治疗与生物传感

PLMs 在生物传感和靶向治疗方面展现出独特的优势。例如，通过将益生菌与光响应性材料结合，可以实现对特定生物标志物的检测，如通过光热治疗（PTT）技术将纳米材料与益生菌结合，使其在体内对特定疾病标志物做出反应。此外，PLMs 还可以用于监测生理环境，如通过表达荧光蛋白或生物发光蛋白，实现对体内条件的实时反馈。

在感染治疗方面，PLMs 能够通过释放抗菌物质（如溶菌酶、细菌素）来靶向清除病原体，同时避免对正常菌群的干扰。例如，一些研究利用益生菌的特性，将其与水凝胶结合，形成能够感知并响应特定病原体的生物材料。这些材料能够通过局部释放治疗性物质，减少全身副作用。

### 生物安全性与监管挑战

尽管 PLMs 在治疗领域展现出巨大潜力，但其在临床应用中仍面临显著的生物安全性挑战。例如，基因工程微生物可能通过水平基因转移（HGT）传播耐药性基因，从而对公共健康构成威胁。此外，益生菌在体内可能引发非预期的免疫反应，特别是在免疫功能受损的患者中。因此，如何确保 PLMs 的生物安全性成为其进一步发展的关键。

此外，目前尚缺乏针对 PLMs 的明确监管框架。虽然 FDA 和 EMA 已经开始关注活体生物制品（LBPs）的监管，但 PLMs 的特殊性使其难以直接归类为传统药物或医疗器械。因此，需要制定专门的监管指南，以确保 PLMs 在临床应用中的安全性和有效性。同时，考虑到 PLMs 可能对不同人群（尤其是免疫功能低下者）产生不同的影响，监管政策应针对特定人群进行优化。

### 未来发展方向与挑战

随着合成生物学和材料科学的进步，PLMs 的研究正在迅速发展。例如，通过人工智能（AI）辅助设计新的益生菌株和材料，可以提高其功能性和安全性。AI 能够帮助分析大量数据，预测微生物的行为，并优化制造工艺。然而，AI 在医疗领域的应用仍面临诸多挑战，如数据隐私、模型可解释性以及伦理问题。

此外，PLMs 的规模化生产和长期稳定性也是其推广的重要障碍。尽管实验室研究已取得显著进展，但如何确保其在实际应用中的可重复性和一致性，仍需进一步探索。同时，公众对基因工程益生菌的安全性仍存在疑虑，这可能影响其接受度和商业化进程。

综上所述，PLMs 作为新一代生物材料，具有巨大的治疗潜力，但其在临床应用中仍需克服多个挑战。未来的研究应重点关注生物安全性、监管框架、规模化生产以及公众接受度，以推动其在医疗领域的广泛应用。