1、 陈钊炜 等/活体生物药的应用及在遗传性代谢缺陷病治疗中的展望 Chinese Journal of Biotechnology http:/ Apr.25,2023,39(4):1290-1303 DOI:10.13345/j.cjb.220603 2023 Chin J Biotech,All rights reserved 资助项目：上海市卫生健康委员会青年基金(20204Y0273)This work was supported by the Clinical Research Project of Health Industry of Shanghai Municipal Healt
2、h Commission(20204Y0273).*Corresponding author.E-mail: Received:2022-07-31;Accepted:2022-10-31 1290 生物工程学报 活体生物药的应用及在遗传性代谢缺陷病治疗中的展望 陈钊炜1，郭敏1,2，郑华军1*1 复旦大学 上海市生物医药技术研究院 国家卫生健康委员会计划生育药具重点实验室，上海 200032 2 华东理工大学 鲁华生物技术研究所 生物反应器工程国家重点实验室，上海 200237 陈钊炜,郭敏,郑华军.活体生物药的应用及在遗传性代谢缺陷病治疗中的展望J.生物工程学报,2023,39(4):12
3、90-1303.CHEN Zhaowei,GUO Min,ZHENG Huajun.Application of live biotherapeutic products and perspective in the treatment of inherited metabolic diseaseJ.Chinese Journal of Biotechnology,2023,39(4):1290-1303.摘 要：活体生物药(live biotherapeutic products,LBPs)是指来自于人体肠道内或自然界中能够治疗人类疾病的活性菌。但天然筛选的活菌存在治疗效果不明显、差异性较大
4、等缺点，难以满足个性化诊疗的需要。近年来，随着合成生物学的发展，研究者利用生命科学及工程科学手段，设计并构建了若干可响应外界复杂环境信号的工程菌株，加快了活体生物药的研发和应用过程。遗传性代谢缺陷病(inherited metabolic disease)是因体内某些酶的遗传缺陷致使体内相应的代谢物不能正常代谢而引发一系列临床症状的一类疾病，因此利用合成生物学技术，针对特定缺陷的酶设计重组活体生物药，未来有希望用于遗传性代谢缺陷病的治疗。本综述以活体生物药为切入点，并结合国内外文献综述，来探讨活体生物药在疾病治疗中的应用，以及对遗传性代谢缺陷病治疗的潜力。关键词：活体生物药；遗传性代谢缺陷病；
5、合成生物学；基因编辑；工程菌 综 述 陈钊炜 等/活体生物药的应用及在遗传性代谢缺陷病治疗中的展望 ：010-64807509： 1291 Application of live biotherapeutic products and perspective in the treatment of inherited metabolic disease CHEN Zhaowei1,GUO Min1,2,ZHENG Huajun1*1 National Health Commission Key Laboratory of Reproduction Regulation,Shanghai Ins
6、titute for Biomedical and Pharmaceutical Technologies,Fudan University,Shanghai 200032,China 2 State Key Laboratory of Bioreactor Engineering,New World Institute of Biotechnology,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China Abstract:Live biotherapeutic products(LBPs)refer to
7、 the living bacteria derived from human body intestinal gut or in nature that can be used to treat the human disease.However,the naturally screened living bacteria have some disadvantages,such as deficient therapeutic effect and great divergence,which fall short of the personalized diagnosis and tre
8、atment needs.In recent years,with the development of synthetic biology,researchers have designed and constructed several engineered strains that can respond to external complex environmental signals,which speeded up the process of development and application of LBPs.Recombinant LBPs modified by gene
9、 editing can have therapeutic effect on specific diseases.Inherited metabolic disease is a type of disease that causes a series of clinical symptoms due to the genetic defect of some enzymes in the body,which may cause abnormal metabolism the corresponding metabolites.Therefore,the use of synthetic
10、biology to design LBPs targeting specific defective enzymes will be promising for the treatment of inherited metabolic defects in the future.This review summarizes the clinic applications of LBPs and its potential for the treatment of inherited metabolic defects.Keywords:live biotherapeutic products
11、(LBPs);inherited metabolic disease;synthetic biology;gene editing;engineered strain 随着人类微生物组计划的开展，越来越多的研究表明肠道微生物组与宿主之间的相互作用可以影响人体的健康1。特定的细菌可以通过改变宿主的免疫、代谢等途径来影响疾病，因此可用于疾病的治疗2-4。2012 年美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration,FDA)发布了开发活体生物药的指南，为基于微生物组的治疗铺平了道路5。但相对于活体生物药，益生菌这一概念更广为人知，它是对宿主健康有益的活的微生物6，已经广
12、泛地应用到了各领域，包括食品、畜牧、渔业等行业7-8。因此，随着菌群功能研究的深入，当众多不属于传统意义益生菌的新菌种被发现可用于疾病治疗时，它们也被称为“下一代益生菌”，即相比于用作传统食品，更适合用于疾病治疗方面的益生菌9。但“活体生物药”这一名词可能比“下一代益生菌”更贴切，因为作为药物使用与益生菌的使用上是有明显区别的。益生菌可作为食品膳食补充剂添加使用，对人体健康起到保健作用。而作为药物使用的活体生物药需要有明确的对症疾病和治疗效果，投入使用前需进行严格的临床前和临床研究。基因编辑技术以及合成生物学技术的突破，为“编程”微生物提供了可靠的工具和坚实 ISSN 1000-3061 CN
13、 11-1998/Q 生物工程学报 Chin J Biotech http:/ 1292 的理论基础，让构建可以执行特定功能的工程菌成为了可能。许多的遗传性代谢缺陷病已被证实与人体代谢通路中某一关键酶突变失活而导致中间产物大量积累有关。例如异戊酸血症患者由于先天缺乏异戊酰辅酶 A 脱氢酶，导致异戊酸及其代谢物在血液中浓度升高，从而引发疾病10。通过构建能高效代谢异戊酸及其代谢物的工程菌株，可以治疗异戊酸血症等遗传性代谢缺陷病。1 活体生物药 1.1 活体生物药的定义 联 合 国 粮 农 组 织(Food and Agriculture Organization of the United Na
14、tions,FAO)和世界卫生组织(World Health Organization,WHO)的联合专家委员会在 2001 年首次明确了益生菌的科学定义，即益生菌是指：当摄取足够数量时，对宿主健康有益的活的微生物6。此后，2012 年美国 FDA 在一份指南中为含有生物活性微生物的产品创造了一个新术语，即活体生物药(live biotherapeutic products,LBPs)，也称为活菌药物，其具有如下特征：(1)含有活性生物，如细菌；(2)适用于预防或治疗人类疾病；(3)不是疫苗11。活体生物药既包含活性菌，也可以含有死菌及其代谢产物。而活菌可分为原生菌制剂和共生菌制剂，原生菌制剂
15、所使用的菌株 来 自 于 人 体 肠 道 内 的 固 有 菌 群(native bacteria)，通过补充原生菌发挥作用，如双歧杆菌和乳杆菌等；共生菌制剂所用菌株来自于人体肠道之外，与人体肠道细菌共生，能够促进人体细菌的生长与繁殖或直接发挥作用，如枯草芽孢杆菌等12。这一定义将活体生物药和益生菌进行了划分，明确了活体生物药的功能以及开发活体生物药的目的是治疗特定的人类疾病，因其针对特定疾病使用，需要进行严格的临床研究及安全性评价。1.2 活体生物药的应用 活体生物药正处在一个快速发展的阶段。智发朝等、高倩等和 Garber 先后总结了国内外在研的活体生物药品种(表 1)13-15，主要用于治
16、疗消化道疾病、泌尿道感染、皮肤病等疾病。由于对自身菌群的扰乱，使用广谱抗生素治疗细菌感染是一种严重受限的策略；而活体生物药因其对肠道定植菌群的恢复和控制耐药菌株的扩散，可作为抗生素的替代治疗控制细菌感染，从而减轻炎症反应16。早在 2014 年，就有研究团队发现无症状菌尿(asymptomatic bacteriuria strains,ASB)菌株大肠杆菌作为活体生 物 药 可 以 用 于 治 疗 诸 如 无 症 状 菌 尿(asymptomatic bacteriuria)等泌尿道感染，弥补了现有复发性泌尿道感染和慢性盆腔疼痛治疗方案的缺陷17。在动物实验中发现，ASB 大肠杆菌具有免疫刺激性、类佐剂活性，能有效促进宿主的免疫反应以清除泌尿道病原体18。2018 年，Dausset 等研究表明，含有鼠李糖乳杆菌 lcr35 的活性生物治疗产品 Gynophilus(Lcr regenerans)可以通过促进内源性乳酸杆菌属的生长来保护妇女的健康阴道菌群，在预防妇女阴道感染，如细菌性阴道炎(bacterial vaginosis,BV)和 念 珠 菌 性 外 阴 阴 道 炎(vulv
