基于工程益生菌的尿酸感应调控系统PULSE实现高尿酸血症精准治疗

《Cell Reports Medicine》：Designer probiotic-based living drugs for uric acid homeostasis control in hyperuricemic mice and rats

　　本刊推荐：为解决高尿酸血症传统疗法存在副作用大、患者依从性差等问题，研究人员开发了基于尿酸感应调控系统(PULSE)的工程益生菌。该研究通过构建HucR介导的尿酸响应基因回路，编程益生菌动态表达三种形式的尿酸氧化酶(UOX)，在急慢性高尿酸血症动物模型中有效降低血清尿酸(UA)水平并缓解肾损伤，为慢性代谢疾病管理提供了安全有效的活体药物新策略。

　　

在人类进化过程中，尿酸氧化酶基因的沉默使人类比其他哺乳动物具有更高的血清尿酸水平。这种进化适应是一把双刃剑——尿酸作为强大的抗氧化剂，能保护机体免受氧化损伤，但过高的尿酸水平会导致高尿酸血症，进而引发痛风、慢性肾病、心血管疾病等多种慢性疾病。

目前临床常用的降尿酸药物如别嘌呤醇等存在明显局限性：需要长期服药、可能产生不良反应，且无法根据体内尿酸水平动态调节。更重要的是，尿酸在生理和病理过程中的双重作用要求治疗策略必须精准调控，避免过度降低尿酸水平而削弱其抗氧化功能。近年来，利用工程益生菌治疗代谢疾病显示出巨大潜力，但现有系统多采用组成型表达或外部诱导剂控制，难以实现对人体内源性尿酸波动的智能响应。

针对这一挑战，华东师范大学的研究团队在《Cell Reports Medicine》上发表了一项创新性研究，开发了一种基于益生菌的尿酸感应与调节系统(PULSE)。该系统利用从耐辐射奇球菌中鉴定的尿酸特异性转录抑制因子HucR，在益生菌大肠杆菌Nissle 1917中构建了能够感知尿酸浓度并动态调节尿酸氧化酶表达的智能基因回路。

研究团队采用的主要技术方法包括：构建HucR介导的尿酸响应基因回路并优化其性能；开发三种不同形式的尿酸氧化酶表达系统（胞内、分泌型和膜展示型）；建立急慢性高尿酸血症小鼠和大鼠模型；通过体内光学成像、血清生化指标检测、组织病理学分析等方法评估治疗效果。实验动物包括C57BL/6小鼠、昆明小鼠和尿酸氧化酶缺陷型(uox^-/-)大鼠，所有动物实验均遵循华东师范大学动物伦理委员会批准的操作规程。

设计并表征益生菌中的尿酸生物传感器

研究团队首先在益生菌大肠杆菌Nissle 1917(EcN)中构建了基于HucR的尿酸感应系统。HucR是MarR转录调节因子家族成员，能特异性响应尿酸并发生构象变化，从启动子区域解离。研究人员将HucR操作子序列插入组成型启动子中构建合成启动子P_HucR，在基础状态下，HucR与P_HucR结合抑制转录；当尿酸存在时，HucR与尿酸结合并从操作子解离，启动下游基因表达。

为提高传感器灵敏度，研究人员引入了尿酸转运蛋白YgfU，促进尿酸进入细菌细胞。通过系统优化核糖体结合位点、启动子强度和操作子重复数目，最终获得的PULSE系统在250μM尿酸诱导下表现出25.9倍的基因表达增加。该系统在0-250μM尿酸浓度范围内呈现剂量依赖性激活，覆盖了高尿酸血症的诊断阈值(417μM)。

构建用于尿酸降解的工程菌

为将PULSE系统应用于高尿酸血症治疗，研究人员设计了三种表达黄曲霉尿酸氧化酶(smUOX)的工程菌株：胞内表达的PULSE_smUox、分泌表达的PULSE_LamB-smUox和膜展示的PULSE_InakN-smUox。免疫印迹证实，三种形式的smUOX均在尿酸诱导下特异性表达，并能有效降解培养基中的尿酸。

PULSE在急性高尿酸血症小鼠中调节血清尿酸

通过口服给予表达荧光素酶报告基因的PULSE_Lux工程菌，研究人员证实该系统能在小鼠肠道内实现尿酸浓度依赖性的基因表达。在急性高尿酸血症小鼠模型中，口服PULSE工程菌能显著降低血清尿酸水平，其中三种菌株混合的PULSE_mix效果最为显著。

PULSE在尿酸氧化酶缺陷大鼠中的分布和定植

在uox^-/-大鼠模型中，PULSE工程菌口服后主要定植于盲肠和结肠，24小时后在非胃肠道组织中未检测到，表明其安全性良好。工程菌在肠道中的定植持续时间约为3-4天，不会造成长期 colonization。

PULSE介导高尿酸血症大鼠的尿酸稳态控制

在uox^-/-大鼠中，PULSE治疗能有效维持尿酸稳态，且在正常尿酸水平的野生型大鼠中不会过度降低尿酸，显示出良好的自我调节特性。为增强肠道低氧环境下smUOX的活性，研究人员引入了过氧化氢酶KatG和细菌血红蛋白VHb，显著提高了微氧条件下的尿酸降解效率。

在高果糖饮食诱导的慢性高尿酸血症大鼠模型中，每日口服PULSE能持续30天维持尿酸稳态，效果优于别嘌呤醇。更重要的是，PULSE治疗还调节了肾脏尿酸转运蛋白的表达，提高了肠道紧密连接蛋白水平，表明其通过多途径恢复系统性尿酸稳态。

PULSE对高尿酸血症相关肾损伤的保护作用

长期PULSE治疗显著降低了高尿酸血症大鼠的血清肌酐和尿素氮水平，减轻了肾小管萎缩、炎症浸润和间质纤维化。同时，PULSE还降低了氧化应激标志物MDA，提高了SOD和总抗氧化能力，抑制了肾脏炎症因子TNF-α、IL-1β和IL-6的表达，并调节了凋亡相关蛋白Bcl-2和Bax的水平。

该研究开发的PULSE系统代表了高尿酸血症治疗策略的重要突破。与传统药物相比，这种工程益生菌具有多种优势：能根据体内尿酸水平动态调节治疗强度，避免过度治疗；通过口服给药，靶向肠道尿酸排泄途径；具有良好的安全性和患者依从性。研究还展示了合成生物学在活体药物开发中的巨大潜力，为其他慢性代谢疾病的治疗提供了新思路。

尽管研究取得了显著成果，作者也指出了若干局限性，如使用质粒而非基因组整合系统可能限制长期治疗效果，未来需要开发更稳定的基因整合策略。此外，添加生物安全控制元件如自杀开关，将进一步提高工程菌的环境安全性。总体而言，这项研究为开发智能、自调节的活体药物治疗系统奠定了坚实基础，有望为高尿酸血症及相关疾病的临床管理提供创新解决方案。