口服藥物在穿越胃酸、消化酶及腸道菌群的“三重屏障”時，往往遭遇降解。根據公開訊息，超過 90% 的生物大分子在抵達小腸前已失活，這迫使絕大多數生物藥仍依賴注射給藥，嚴重限制了臨床應用。
近年來，科學家嘗試將工程菌改造為“活體藥物工廠”，直接在腸道內合成藥物。然而，工程菌與土著菌群的定殖競爭、長期存活難題始終未解。
近日，美國弗吉尼亞理工大學Bryan B. Hsu 團隊與李立武團隊另闢蹊徑，提出一項顛覆性策略，他們設計了一種噬菌體病毒，在感染腸道細菌的同時釋放蛋白質類藥物。相關成果以“Sustained in situ protein production and release in the mammalian gut by an engineered bacteriophage”為題發表於 Nature Biotechnology。
噬菌體是自然界中數量最多的生物實體，其生命週期具有高度定向性：感染宿主菌後，噬菌體 DNA 會劫持細菌的轉錄機器，啟動自身基因的級聯表達，最終透過裂解宿主釋放子代噬菌體。研究團隊敏銳捕捉到這一特性——若將治療性蛋白基因嵌入噬菌體基因組，是否能在裂解過程中同步釋放治療分子？
為驗證這一假設，團隊選取 T4 噬菌體（靶向非致病性大腸桿菌）作為模型。首先，他們構建了攜帶超摺疊綠色熒光蛋白（sfGFP）的工程化 T4 噬菌體（T4::sfGFP）。體外實驗顯示，感染後細菌裂解液中 sfGFP 熒光強度達 0.5–1.0 × 10⁶ AU/OD，較未感染組（7 × 10³ AU/OD）提升近千倍，證實噬菌體裂解可高效釋放胞內蛋白。進一步，團隊系統篩選了 T4 噬菌體的內源性啟動子，發現晚期啟動子 gp22 在維持噬菌體滴度或下降約 2 倍的同時，驅動 sfGFP 表達量最高。這種時空調控機制確保蛋白合成與噬菌體複製週期同步，為體內應用奠定了技術基礎。
圖 | 展示了噬菌體感染細菌後，能夠將細胞內蛋白釋放到細胞外環境
在小鼠模型中，研究人員透過抗生素預處理清除部分腸道菌群，並引入工程化大腸桿菌定殖後，口服 T4::sfGFP 噬菌體以評估其體內表達情況。實驗結果表明，噬菌體在小鼠腸道內能夠穩定定殖，糞便中噬菌體滴度維持在 10⁶–10⁸ PFU/g，並未引發菌群的顯著紊亂。熒光顯微鏡觀察發現，sfGFP 訊號富集於腸道粘膜層，與粘蛋白標記物高度共定位，表明蛋白能夠靶向作用於腸道屏障表面。單次給藥後，sfGFP 訊號可持續存在 4 天以上，突破了傳統工程菌依賴長期定殖的技術瓶頸，證明噬菌體可透過週期性感染和裂解迴圈，在腸道區域性形成“脈衝式”藥物釋放模式，為後續疾病治療研究提供了有力支援。
在疾病治療實驗中，研究團隊構建了 T4::serpin 和 T4::clpB 兩種工程化噬菌體，並在炎症性腸病（IBD）和肥胖小鼠模型中測試其治療效果。
針對 IBD，研究人員利用 T4::serpin 噬菌體在宿主菌中表達絲氨酸蛋白酶抑制劑 Serpin B1a，以抑制中性粒細胞彈性蛋白酶（NE）的活性。在葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎模型中，T4::serpin 治療顯著降低了糞便 NE 活性（下降 85%），結腸組織損傷評分減少 40%，同時結腸中性粒細胞表面抗炎標誌物 CD24 表達上調 2.3 倍，提示炎症微環境向修復表型轉化。
針對肥胖和代謝綜合徵，T4::clpB 噬菌體在腸道內表達 ClpB 蛋白，該蛋白因與促黑素細胞激素 α-MSH 的結構同源性，能夠啟用腸道內分泌細胞的 MC4R 受體，進而抑制食慾。在高脂飲食誘導的肥胖小鼠模型中，T4::clpB 治療使體重增幅減少 30%，食物攝入量下降 22%，血清促炎因子 IL-1β 和 IL-23 水平分別降低 64% 和 57%，並顯著改善了腸道屏障功能。這些實驗結果表明，工程化噬菌體不僅能夠在腸道內持續產生治療蛋白，還能在多個疾病模型中展現明顯的生理效應，證明其在精準醫療中的應用潛力。
圖 | T4::clpB 噬菌體能夠減少食物攝入量和體重增加，並降低與肥胖相關的促炎細胞因子水平
相較於傳統口服生物藥，噬菌體遞送系統具有獨特優勢。它能夠直接在腸道區域性釋放蛋白，避免系統性分佈導致的脫靶效應。噬菌體與宿主菌形成動態平衡，可按需釋放蛋白，減少頻繁給藥需求。T4 噬菌體僅感染特定大腸桿菌，且無法侵染真核細胞，在初步毒理評估中未發現組織病理學異常。
然而，臨床轉化仍面臨挑戰，包括如何適應個體化菌群差異、最佳化蛋白表達效率以及長期使用對腸道生態的影響等。未來，結合合成生物學工具，噬菌體工程有望進一步拓展其應用範圍，例如整合環境感應啟動子，實現病理微環境下的精準釋藥，或搭載 CRISPR 系統，實現基因編輯和治療蛋白遞送的同步調控。此外，噬菌體遞送策略不僅侷限於腸道，還可拓展至呼吸道、皮膚等微生物生態系統，為哮喘、特應性皮炎等疾病提供新的治療思路。
這一研究不僅為口服生物藥開發提供了全新正規化，也標誌著噬菌體從“抗菌武器”向“治療載體”的功能躍遷。隨著技術的不斷發展，工程化噬菌體有望成為精準醫療的重要工具，為炎症性腸病、糖尿病，甚至神經退行性疾病的治療提供微生物驅動的創新路徑。
參考連結：
1.Baker, Z.R. et al. Sustained in situ protein production and release in the mammalian gut by an engineered bacteriophage. Nat Biotechnol (2025). https://doi.org/10.1038/s41587-025-02570-7
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