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夏永振课题组在Gut Microbes上刊发利用工程化EcN菌株治疗高尿酸血症的研究进展

发布日期:2022年05月17日    点击次数:

近日,微生物技术国家重点实验室环境微生物与合成生物学团队在国际肠道微生物学领域权威期刊Gut Microbes上在线发表题为Engineered Escherichia coli Nissle 1917 with Urate Oxidase and an Oxygen-recycling System for Hyperuricaemia Treatment的研究论文(DOI: 10.1080/19490976.2022.2070391)。研究团队博士研究生赵瑞为第一作者,夏永振教授为通讯作者,山东大学微生物技术国家重点实验室为第一完成单位。

随着高嘌呤饮食消费的增加,高尿酸血症已经成为继糖尿病之后的第二普遍的代谢性疾病。而目前可供于临床使用的药物屈指可数,并且很多药物都有严重的副作用。由于人体内缺乏尿酸氧化酶(urate oxidase,UOX),无法将尿酸进一步代谢。体内多余的尿酸通过肾脏和肠道排出,其中1/3尿酸的排出通过肠道完成,并被肠道菌群进一步代谢。因此,肠道微生物可能为治疗高尿酸血症提供一种新的方式。

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益生菌Escherichia. coli Nissle 1917 (EcN)在一个世纪前就已被用于治疗炎症性肠病和肠易激综合征。由于其安全特性和遗传可塑性,用它作为载体构建的工程菌被用作治疗多种疾病,如细菌感染、代谢紊乱等。最近,通过静脉注射,EcN能够作为向肿瘤部位递送抗癌药物的载体,这也证明将EcN注射到血液中也是相对安全的。

本研究中,作者以EcN为宿主菌株,pBBR1MCS-2为质粒载体,在Ptrc启动子控制下,异源表达Bacillus subtilis中的尿酸氧化酶PucL和PucM。当对完整的PucL进行突变,并引入大肠杆菌的尿酸转运蛋白YgfU后,重组菌株的尿酸降解效率达到测试的最高水平;考虑到肠道中是一个低氧环境,我们随后引入来自Vitreoscillasp.的细菌血红蛋白VHb和大肠杆菌的过氧化氢酶KatG,在体外证实了VHb能够有效提高菌株的氧气利用效率,KatG能够降低尿酸降解过程中产生的氧化压力;随后证实了VHb和KatG的引入使得菌株在低氧条件下也可以有效的降解尿酸。

借助小鼠实验,作者证明在小鼠的肠道中,工程化EcN菌株也能够有效的降解尿酸。但在构建成功的传统高尿酸血症小鼠模型中,灌胃工程化EcN菌株并未成功降低模型小鼠的血尿酸浓度。通过进一步研究,作者发现主要原因是因为小鼠的血尿酸浓度只有14.1 μM±6.1 μM,比人中血尿酸浓度低10-24倍。在低尿酸浓度的条件下,工程化EcN菌株的降解速率会明显减慢;此外,传统小鼠模型中会引入UOX抑制剂-氧嗪酸钾,这也对工程化EcN菌株的尿酸酶活性造成了显著影响。

随后,作者另辟蹊径,通过向小鼠的静脉中注射尿酸溶液,使得小鼠的血尿酸浓度提高到了接近人体血尿酸浓度的水平,以此方法构建了一种新型高尿酸血症小鼠模型。在灌胃工程化EcN菌株后,有效降低了新模型中高尿酸血症小鼠的血尿酸浓度。同时,作者还尝试向小鼠静脉中注射了工程化EcN菌株的方式进行治疗,这同样有效降低了新模型中高尿酸血症小鼠的血尿酸浓度,并且证实在注射后,至少在8小时内菌株的尿酸降解能力依旧可以保持稳定。

综上,本研究构建了一株能够在常氧和低氧条件下快速降解尿酸的工程化EcN菌株,该菌株可以降解高尿酸血症小鼠肠道和血液中的尿酸。本研究表明在肠道中应用EcN菌株来治疗高尿酸血症具有可行性;同时提出将EcN菌株直接应用到血液中的新疗法,这可以为治疗代谢紊乱类疾病提供新思路。

本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和山东大学齐鲁青年学者基金等科研项目的支持。

【 作者:赵瑞 夏永振   来源:微生物技术研究院    责任编辑:刘璇 】

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