合成生物学驱动的工程化大肠杆菌Nissle 1917作为帕金森病左旋多巴持续递送活体治疗剂的临床前评估

《ACS Synthetic Biology》：Preclinical Evaluation of Synthetic Biology-Driven Engineered Escherichia coli Nissle 1917 as a Living Therapeutic for Sustained L-DOPA Delivery

本研究通过合成生物学手段构建了表达hpaBC基因的工程化大肠杆菌Nissle 1917（EcN2LDOPA-P3），实现了在肠道内持续合成L-DOPA。该活体治疗系统在小鼠模型中可维持血浆L-DOPA治疗浓度（1470 ng/mL）达30小时，使纹状体多巴胺水平提升1-2倍，并显著改善帕金森病模型鼠的运动及认知功能障碍。研究为克服传统左旋多巴脉冲式给药引起的运动波动提供了创新解决方案。

引言

帕金森病（PD）作为全球第二大神经退行性疾病，其主要病理特征为中脑黑质多巴胺能神经元进行性丢失，导致纹状体多巴胺（DA）缺乏。虽然口服左旋多巴（L-DOPA）仍是PD症状管理的金标准疗法，但长期使用会引发剂末现象和左旋多巴诱导的异动症（LID）。本研究旨在开发一种基于益生菌的活体生物治疗系统，通过合成生物学方法实现L-DOPA的稳定持续递送。

工程菌株构建与体外验证

研究团队首先构建了携带hpaBC基因的第一代工程菌EcN¹_LDOPA-EM7，该基因编码的4-羟基苯乙酸-3-单加氧酶（HpaB）及其辅酶还原酶（HpaC）可将L-酪氨酸转化为L-DOPA。体外实验显示，在10 mM酪氨酸培养基中，该菌株12小时可产生938 ng/mL L-DOPA。进一步优化后，采用组成型启动子P3构建的第二代菌株EcN²_LDOPA-P3在无外源酪氨酸条件下产量提升至12,000 ng/mL，其优势在于可利用内源性酪氨酸合成途径实现L-DOPA的自给自足。

体内药效与安全性验证

动物实验表明，单次口服10⁹CFU EcN²_LDOPA-P3可在小鼠肠道内定植48小时，血浆L-DOPA浓度在给药后第2天达到1470.1 ng/mL，进入人体治疗窗（300-1600 ng/mL）。同时，纹状体DA水平显著提升至29.67 ng/mg。组织病理学和16S rRNA测序证实，该治疗未引起肠道炎症或菌群失调。

药代动力学优势

与化学合成L-DOPA（Chem_{L-DOPA²LDOPA-P3能在30小时内维持稳定的血浆L-DOPA浓度。在MitoPark（MP）PD模型鼠中，该治疗使纹状体DA水平从0.66 ng/mg升至3.3 ng/mg，且避免了ChemL-DOPA引起的浓度骤升骤降。}

行为学改善效果

在为期8周的干预中，EcN²_LDOPA-P3治疗显著改善MP小鼠的运动功能，开放旷场实验显示水平活动量持续增加。莫里斯水迷宫实验表明治疗组逃避潜伏期缩短，高架十字迷宫实验显示开放臂停留时间延长，提示认知功能和焦虑样行为均得到改善。神经化学分析证实治疗后纹状体DA/L-DOPA比值上升，反映多巴胺能神经传递功能的恢复。

讨论与展望

本研究首次证实工程化EcN可通过肠道原位合成L-DOPA实现持续给药，为PD治疗提供了新思路。该平台的优势包括：①利用益生菌载体实现非侵入性给药；②通过内源性酪氨酸合成避免外源补充；③稳态递送模式可规避脉冲式刺激引发的LID。未来需进一步优化生物安全性设计（如染色体整合、自杀开关），并探索其对其他非运动症状的改善潜力。