随着对人体细菌及其相关生态系统全面深入的研究，基于细菌的给药系统已成为一种新兴的、具有生物学功能的递送平台。2023年1月，温州大学生命科学研究院孙达副研究员、温州市生物医药协同创新中心金立波主任及重庆大学生物工程学院吴伟副教授合作在Materials Today Bio（IF=10.761，中科院1区Top）在线发表题为“Advances in Escherichia coli Nissle 1917 as a customizable drug delivery system for disease treatment and diagnosis strategies”的综述论文，该文综述了Escherichia coli Nissle 1917（ECN）的益生菌特性，对炎症和肿瘤的生物学作用以及利用表面修饰和基因工程手段改造ECN作为疾病（如癌症、炎症性肠病等）精准诊疗的药物递送系统的策略。并总结了用ECN构建的各种疾病的给药系统的优势、特点以及未来的发展潜力。

纳米给药系统用于各种疾病(如肿瘤、炎症等)的靶向治疗，增强疗效，降低药物的全身毒副作用，为获得良好的药物体内适应性，除了化学材料修饰外，还开发了类似细胞膜或细菌的天然仿生递送系统。随着生物化学和基因工程技术的发展，基于细菌的药物输送系统已成为生物医学研究的热点。1890年出现了第一例用细菌治疗肿瘤的肿瘤免疫疗法，具体是通过向患者注射链球菌来治疗骨肉瘤。后续研究表明，许多类型的细菌包括大肠埃希氏菌、鼠伤寒沙门氏菌和新梭菌均可以定殖肿瘤病灶。

与其他工程菌相比，ECN具有良好的抗菌、抗炎、调节肠道菌群和兼性厌氧特性，并作为IBD治疗药物Mutaflor®主要成分已经上市。ECN可以在肿瘤或结肠的缺氧区定殖，可口服是该药物载体的一大优势，是目前应用于肿瘤和胃肠道疾病治疗最常用的工程菌之一。ECN益生菌特性包括以下几点：1. 大量体外实验证明ECN具有抗菌作用（通过ECN的群体感应、与病原菌通过铁载体竞争铁元素、分泌细菌素（如MccM和MccH47）拮抗沙门氏菌等特性）。2. ECN表达的菌毛和鞭毛直接刺激肠上皮细胞产生人β-防御素抗菌，促进肠上皮细胞紧密蛋白分泌修复肠上皮屏障，具有促进免疫细胞抗炎因子产生（如IL-10）。3. 在肿瘤治疗方面，ECN可通过PI3K/PTEN/AKT信号通路诱导结肠癌HT-29人结肠癌细胞凋亡。本文主要介绍工程化ECN用于IBD和肿瘤诊疗的策略，包括表面修饰和基因工程的策略。表面修饰法主要通过静电纺丝、多功能涂层、化学键结合和微囊化等策略对ECN表面进行修饰，如下图。这些修饰的目的是增加靶点粘附性，达到时空释放，对胃肠道环境的耐受性，更好的生物相容性（如降低免疫原性增强血液循环时间）、靶向性和治疗效果。

A. Preparation of ECN layer by layer. B. Aggregated internally or externally adhered ECN prepared by electrospinning. C. ECN driven motor. D. Streptavidin drugs and biotinylated ECN. E. Various membrane coated ECN.

基因工程法包括利用内源基因突变、ECN“胶囊”制备、代谢工程、外源基因表达等基因工程或合成生物学手段对ECN改造，如下图所示。内源基因突变的ECN研究主要为了消除其遗传毒性增加安全性。合成生物学策略改造ECN在对其基因启动子的选择方面根据疾病响应条件相关，外源基因表达药物要满足治疗需求，最终达到更加安全、时空释放、长期治疗的效果，同时基因工程改造的ECN作为生物传感器对于监测病情具有很大便利和开发价值。

A.Plant ABC transporter system prtDEF is inserted into the genome of ECN; B. This plasmid contains genes of HlyA type secretion system and exogenous protein Sj16; C. Dual response system of Boolean AND logic gates. The constitutively expressed NarXL protein is phosphorylated in the presence of nitrate and activates ThsSR protein expression via the yeaR promoter when nitrate is present; D. Engineering ECN with a hypoxia-induced 3HB synthesis pathway.

   ECN药物递送系统具有依从性好、疗效持久、治疗精准等特点，但在推向市场前仍有许多问题需要解决。少数在动物实验中有效的工程化ECN菌株在临床试验中并不理想，如已在临床试验中测试的一种ECN菌株SYNB1020。由于细菌质粒的遗传不稳定，质粒的抗生素基因容易转移，工业生产中重组菌株的稳定性和安全性也受到关注，其大规模工业化生产也将面临未知的挑战。

该工作得到了国家自然科学基金（51901160），温州市科技局项目（51901160），以及温州市科协瓯肽医学检验实验室有限公司博士创新站、浙江鲲泷科技有限公司博士创新站的支持。温州大学生命科学研究院在读研究生陈豪杰，雷鹏宇，以及嵇豪博士为该论文的共同第一作者，重庆大学生物工程学院吴伟副教授，温州市生物医药协同创新中心金立波主任，温州大学生命科学研究院孙达副研究员为该论文的共同通讯作者。国科温州研究院的杨秦斯和彭波副研究员，温州大学生命科学研究院的在读研究生马嘉辉、方依梦、屈琳凯，重庆大学生物工程学院李华为该文章提供指导和支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100543