從天然到合成，微生物治療借力合成生物學開拓臨床應用場域！

在合成生物學（synthetic biology）的所有發展範疇中，微生物治療（microbiome therapy）是技術快速進步也備受矚目的一環。隨著科學上揭開微生物生態與人體健康的密切關聯，微生物體被視為人體基因體以外的「第二基因體（second genome）」，廣泛影響胃腸道健康、慢性疾病、癌症、以及心理疾病等面向。微生物的臨床應用因此變得越來越常見，不論是用於疾病治療、診斷與預防、或者傳遞治療分子的載體，都已有臨床試驗正在開展，甚至衍生醫藥產品獲准上市。本篇專題文章以「微生物治療」為題，以下將深入介紹技術原理、臨床應用、以及未來發展趨勢。

當代生技產業的創新製造力：合成生物學（基因線上國際版）

從天然到合成的微生物治療

從出生到死亡，微生物對於人體健康的影響層面相當深遠，舉凡嬰幼兒免疫力受到微生物菌相調節、日常飲食左右腸道微生物組成、微生物失調提高罹患特定疾病風險等。微生物關係到人體健康的重要性引發各醫療領域關注，更成為治療介入策略。例如近年出現的糞便微生物移植（faecal microbiota transplant, FMT）治療方法，藉由將健康捐贈者糞便中的微生物與抗菌物質轉移到病人身上，達到恢復腸道菌平衡、治療疾病的效果。

天然微生物的臨床應用已經起步，合成生物學技術更大舉推進微生物治療，透過將天然微生物進行目的性的基因編輯與改造，工程化微生物（engineered microbes）能針對特定疾病、特定器官構造產生治療作用，也能用於即時（real-time）疾病監測，臨床用途相當廣。不過目前這類技術涉及基改安全性與微生物感染風險，則是阻礙發展的疑慮成因。

微生物治療途徑原理示意圖（圖片來源/ International Journal of Molecular Sciences）

合成生物學拓展微生物的臨床用途

合成生物學技術用於微生物治療的原理基本簡介如下圖，首先，研究人員篩選出有功能性的目標基因、並與該目標基因相關的基因迴路（gene circuit）大量合成後，再將基因選殖到微生物基因，例如大腸桿菌（E. Coli）質體中，便能生成具有生成治療分子、或能偵測特定疾病 biomarker 的微生物。類器官（organoid）、生物晶片等技術平台則可用於測試這類治療有效性與安全性。

（圖片來源/ International Journal of Molecular Sciences）

以下分別介紹合成生物學結合微生物治療的 3 項主要用途：電腦模型建立微生物菌叢、基改微生物合成治療分子、生物感測器用於疾病診斷。

電腦模型助重建「自然的」微生物菌叢

在微生物移植方法的研究中，有別於直接從生物體內分離出可能致病的微生物加以分析，由下而上（bottom-top）研究方法是直接將宿主培養於無菌環境，再與一般培養條件個體比較，以確認腸道微生物的作用。不過這種研究方法面臨的挑戰是，實驗室中分培養的微生物菌叢不一定能在自然條件下生長。

當面臨以上研究限制，導入電腦模型模擬、預測微生物菌叢生長模式，可以說是合成生物學對微生物應用的一大貢獻。因為在個別培養或者實驗室培養條件下，無法完整觀察到微生物與宿主之間的互動，甚至不同種微生物之間的代謝物交互作用，這些條件使微生物生長環境更加複雜化。而借助電腦模型分析能深入分析微生物菌叢的生長環境，可以運用「工程化」概念，讓菌叢中的不同微生物經過基因轉殖分配各自的代謝功能，以群體調控的方式維持微生物生態穩定生長。

基因改造微生物合成抗體、細胞激素等治療分子

一般抗體與蛋白藥物若採取口服給藥途徑，可能面臨藥物分子在生物體內活性不穩定的問題。但如透過具備合成治療分子功能的微生物，只要少量微生物在宿主體內存活，即可重新再增殖（re-proliferate）、合成出治療分子並直接傳遞到目標器官構造。此外如果微生物是來自宿主體內原生種類，也不易引發宿主的免疫發炎反應。目前針對潰瘍性結腸炎，已出現以微生物基礎的新型藥物傳遞系統，如運用工程化擬桿菌（Bacteroides ovatus）合成 TGF-β1 分子、乳酸菌（Lactococcus lactis）合成細胞激素 IL-10，達到緩解腸道發炎症狀。

對於一些難治性疾病如愛滋（AIDS）、癌症領域，微生物治療也帶來新的醫學契機。例如改造大腸桿菌使其能分泌抑制 HIV 融合感染黏膜細胞的胜肽，由於多數愛滋感染都發生在胃腸道和陰道黏膜細胞，黏膜表面本身就聚集多樣的非致病共生細菌，所以藉由改造天然存在的細菌成為一種新興的治療管道。癌症方面，則有選殖大腸桿菌、沙門氏桿菌（Salmonella typhimurium）以分泌抑制腫瘤生長蛋白。這些新型治療模式都在動物試驗早期階段。

生物感測器（biosensor）偵測疾病發生進展

微生物在宿主體內產生治療分子的過程中，可能會因連帶生成代謝物造成人體副作用的隱憂。為了減低這方面的風險，現在已有技術使微生物帶有生物感測器（biosensor）功能，感測器能夠藉由偵測針對特定疾病的生物標記物（biomarker），再以螢光訊號呈色，達到監測疾病進展功用。

常見的 biomarker 包含，以大腸桿菌偵測與消化道出血有關的血基質（heme）分子、偵測與發炎反應或糖尿病相關的一氧化氮（NO）分子。未來改善方向則是增加感測器靈敏度，使其能夠偵測到低濃度範圍的目標分子、提升與目標分子特異性結合的能力。

終極目標！像電子電路模組化調控微生物功能

微生物群在人體中扮演的重要性逐漸成為醫藥研發焦點，從益生菌、FMT 到借助合成生物學改造調控的微生物治療方法，逐步累積在各疾病領域的臨床進展，生技醫藥新創與大廠也相繼挹注資源整合 AI、自動化培養、基因選殖等多元技術以擴大微生物治療的應用層面。

合成生物學輔助下的微生物治療核心概念，是把電子電路的運作原理置換到基因工程，藉由微生物作為載體，微生物帶有各基因元件組合形成的基因迴路（gene circuit）能夠以模組化型式運作，達成希望調控的疾病狀態與治療效果。

而為了達到那樣的目標，研究者目前在努力的方向包含更真實模擬體外培養微生物的環境，例如加強研發像血管軟組織、免疫系統、基質的測試平台。除此，也有研究者持續探討微生物菌叢在宿主體內運作與環境訊號之間的關聯，不斷改善微生物治療方法穩定性與安全性，不論從調控治療分子釋放速率、建立微生物生態共生關係、長期評估基因轉移風險等方向著手。微生物學與工程學跨域雙管齊下，可以預期將持續拓寬醫藥技術的邊界。

延伸閱讀:基因線上迷幻藥獨家專題

參考資料：
1. International Journal of Molecular Sciences,2020; https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33228099/
2. Nature, 2020; https://www.nature.com/articles/d41586-020-00201-6
3. Front. Bioeng. Biotechnol, 2019; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fbioe.2019.00175/full