細(xì)菌膜囊泡（Bacterial Membrane Vesicles, BMVs）是天然分泌的納米級脂質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠攜帶蛋白質(zhì)、核酸等活性分子，在疫苗開發(fā)、藥物遞送及免疫調(diào)控中展現(xiàn)出獨特潛力。然而，天然 BMV 的低產(chǎn)量（僅占菌體生物量的 0.2%-0.5%）和復(fù)雜的純化流程長期限制其臨床應(yīng)用。

近期，滑鐵盧大學(xué) Yilan Liu 團(tuán)隊與南方科技大學(xué)劉洪梅、吳德成團(tuán)隊在 ACS Nano 發(fā)表突破性研究，題為“Engineered Therapeutic Bacteria with High-Yield Membrane Vesicle Production Inspired by Eukaryotic Membrane Curvature for Treating Inflammatory Bowel Disease”，通過多維度基因工程策略，將大腸桿菌改造為高效 BMV 生產(chǎn)平臺，產(chǎn)量提升 149 倍，并驗證其直接口服治療炎癥性腸病（IBD）的顯著療效。這一成果為活菌療法和納米醫(yī)學(xué)的融合提供了全新范式。

研究團(tuán)隊從真核細(xì)胞的膜曲率調(diào)控機制中獲得核心啟發(fā)。在真核系統(tǒng)中，BAR 結(jié)構(gòu)域蛋白、網(wǎng)格蛋白等通過誘導(dǎo)膜彎曲驅(qū)動囊泡形成，而脂質(zhì)組成與蛋白質(zhì)的協(xié)同作用進(jìn)一步調(diào)控這一過程。為實現(xiàn)類似效果，團(tuán)隊篩選出大腸桿菌的乙醇胺利用微區(qū)室殼蛋白 EutS——其六聚體結(jié)構(gòu)具有 40° 固有曲率，且表面疏水特性與細(xì)菌外膜的脂質(zhì)雙層相容。通過將 EutS 與 ompA 信號肽融合（*EutS），研究人員成功將其靶向定位至細(xì)菌外膜。實驗表明，*EutS 的表達(dá)使BMV產(chǎn)量提升 45.72 倍，囊泡平均直徑從 129.1 nm 增至 157.1 nm。冷凍電鏡顯示，*EutS 通過插入外膜形成局部曲率，觸發(fā)持續(xù)的膜形變，這一機制模擬了真核細(xì)胞的膜重塑過程，為細(xì)菌系統(tǒng)的可控囊泡生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。

圖 | 通過 EutS 表達(dá)誘導(dǎo)膜曲率來增強 BMV 生產(chǎn)

為進(jìn)一步突破產(chǎn)量瓶頸，團(tuán)隊引入代謝工程與細(xì)胞壁調(diào)控的協(xié)同策略。首先，通過過表達(dá)脂肪酰基還原酶（FAR），將脂肪酸代謝流向脂肪醇合成。這些兩親性分子插入膜結(jié)構(gòu)后，通過降低脂質(zhì)層剛性促進(jìn)曲率形成。盡管單獨表達(dá) FAR 會因代謝競爭導(dǎo)致菌體生長抑制，但其與 EutS 聯(lián)用可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使 BMV 產(chǎn)量提升 66.47 倍。其次，團(tuán)隊利用阿拉伯糖誘導(dǎo)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)控肽聚糖水解酶（PGase）的表達(dá)，特異性切割肽聚糖交聯(lián)結(jié)構(gòu)，弱化細(xì)胞壁對囊泡釋放的物理限制。當(dāng) EutS、FAR 與 PGase 三者聯(lián)用時（FEP 工程菌），BMV 產(chǎn)量達(dá)到原始菌株的 149.11 倍。透射電鏡顯示，F(xiàn)EP 菌體表面密集形成直徑約 150 nm 的囊泡，拉曼光譜進(jìn)一步證實囊泡膜中成功整合脂肪醇，凸顯了多策略協(xié)同的工程優(yōu)勢。

傳統(tǒng) BMV 療法依賴超速離心等復(fù)雜純化步驟，而本研究創(chuàng)新性地直接使用 FEP 工程菌（含菌體與BMV）口服給藥。在 3% 葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型中，F(xiàn)EP 治療組表現(xiàn)出顯著保護(hù)效應(yīng)，小鼠體重?fù)p失僅 2.31%，結(jié)腸長度不變；組織病理分析顯示結(jié)腸隱窩結(jié)構(gòu)完整，炎癥細(xì)胞浸潤減少 70%，髓過氧化物酶（MPO）與腫瘤壞死因子-α（TNF-α）表達(dá)水平顯著降低。而且，F(xiàn)EP 治療可逆轉(zhuǎn) DSS 導(dǎo)致的菌群失調(diào)——致病菌Escherichia-Shigella 相對豐度從 12.3% 降至 2.1%，而產(chǎn)短鏈脂肪酸的有益菌 Prevotellaceae_UCG-001 從 0.5% 升至 4.7%。KEGG 功能預(yù)測進(jìn)一步顯示，F(xiàn)EP 組的能量代謝與免疫通路富集度接近健康組，提示工程菌可能通過調(diào)節(jié)宿主-微生物互作緩解炎癥。

圖 | FEP 工程菌對結(jié)腸炎小鼠有預(yù)防作用

該研究的核心突破在于將真核膜曲率機制轉(zhuǎn)化為細(xì)菌可控的 BMV 生產(chǎn)系統(tǒng)，并通過代謝-結(jié)構(gòu)協(xié)同工程實現(xiàn)產(chǎn)量的數(shù)量級提升。相較于傳統(tǒng)物理/化學(xué)誘導(dǎo)法，基因策略避免了囊泡成分異質(zhì)性和化學(xué)殘留風(fēng)險，且“菌-囊泡復(fù)合體”療法省去純化步驟，大幅降低生產(chǎn)成本。然而，邁向臨床仍需解決關(guān)鍵挑戰(zhàn)：高產(chǎn) BMV 導(dǎo)致 FEP 菌 OD600 下降 71.23%，可能限制規(guī)模化培養(yǎng)；工程菌的基因穩(wěn)定性、免疫原性及對腸道屏障的長期影響需系統(tǒng)驗證；當(dāng)前體系基于大腸桿菌 DH5α，未來可適配益生菌（如 Nissle 1917）以提高生物相容性。研究團(tuán)隊已著手優(yōu)化誘導(dǎo)系統(tǒng)，通過動態(tài)調(diào)控基因表達(dá)時序緩解代謝壓力。劉誼蘭教授指出，該平臺可靈活加載病原體抗原或腫瘤新抗原，為個性化疫苗開發(fā)提供通用解決方案。

此項工作不僅為 IBD 治療提供了創(chuàng)新工具，更重新定義了工程菌的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用場景。通過合成生物學(xué)與納米技術(shù)的深度交叉，細(xì)菌有望成為“活體納米工廠”，實現(xiàn)藥物的原位合成與精準(zhǔn)遞送。隨著對菌群與宿主互作機制的進(jìn)一步解析，此類技術(shù)或可拓展至癌癥免疫治療、代謝性疾病調(diào)控等領(lǐng)域，推動微生物療法邁向新的高度。

1.Chen J, Liu M, Chen S, et al. Engineered Therapeutic Bacteria with High-Yield Membrane Vesicle Production Inspired by Eukaryotic Membrane Curvature for Treating Inflammatory Bowel Disease[J]. ACS nano, 2025.

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