从天然到合成，微生物治疗借力合成生物学开拓临床应用场域！

在合成生物学（synthetic biology）的所有发展范畴中，微生物治疗（microbiome therapy）是技术快速进步也备受瞩目的一环。随着科学上揭开微生物生态与人体健康的密切关联，微生物体被视为人体基因体以外的“第二基因体（second genome）”，广泛影响胃肠道健康、慢性疾病、癌症、以及心理疾病等面向。微生物的临床应用因此变得越来越常见，不论是用于疾病治疗、诊断与预防、或者传递治疗分子的载体，都已有临床试验正在开展，甚至衍生医药产品获准上市。本篇专题文章以“微生物治疗”为题，以下将深入介绍技术原理、临床应用、以及未来发展趋势。

当代生技产业的创新制造力：合成生物学（基因线上国际版）

从天然到合成的微生物治疗

从出生到死亡，微生物对于人体健康的影响层面相当深远，举凡婴幼儿免疫力受到微生物菌相调节、日常饮食左右肠道微生物组成、微生物失调提高罹患特定疾病风险等。微生物关系到人体健康的重要性引发各医疗领域关注，更成为治疗介入策略。例如近年出现的粪便微生物移植（faecal microbiota transplant, FMT）治疗方法，借由将健康捐赠者粪便中的微生物与抗菌物质转移到病人身上，达到恢复肠道菌平衡、治疗疾病的效果。

天然微生物的临床应用已经起步，合成生物学技术更大举推进微生物治疗，透过将天然微生物进行目的性的基因编辑与改造，工程化微生物（engineered microbes）能针对特定疾病、特定器官构造产生治疗作用，也能用于即时（real-time）疾病监测，临床用途相当广。不过目前这类技术涉及基改安全性与微生物感染风险，则是阻碍发展的疑虑成因。

微生物治疗途径原理示意图（图片来源/ International Journal of Molecular Sciences）

合成生物学拓展微生物的临床用途

合成生物学技术用于微生物治疗的原理基本简介如下图，首先，研究人员筛选出有功能性的目标基因、并与该目标基因相关的基因回路（gene circuit）大量合成后，再将基因选殖到微生物基因，例如大肠杆菌（E. Coli）质体中，便能生成具有生成治疗分子、或能侦测特定疾病 biomarker 的微生物。类器官（organoid）、生物芯片等技术平台则可用于测试这类治疗有效性与安全性。

（图片来源/ International Journal of Molecular Sciences）

以下分别介绍合成生物学结合微生物治疗的 3 项主要用途：电脑模型建立微生物菌丛、基改微生物合成治疗分子、生物传感器用于疾病诊断。

电脑模型助重建“自然的”微生物菌丛

在微生物移植方法的研究中，有别于直接从生物体内分离出可能致病的微生物加以分析，由下而上（bottom-top）研究方法是直接将宿主培养于无菌环境，再与一般培养条件个体比较，以确认肠道微生物的作用。不过这种研究方法面临的挑战是，实验室中分培养的微生物菌丛不一定能在自然条件下生长。

当面临以上研究限制，导入电脑模型模拟、预测微生物菌丛生长模式，可以说是合成生物学对微生物应用的一大贡献。因为在个别培养或者实验室培养条件下，无法完整观察到微生物与宿主之间的互动，甚至不同种微生物之间的代谢物交互作用，这些条件使微生物生长环境更加复杂化。而借助电脑模型分析能深入分析微生物菌丛的生长环境，可以运用“工程化”概念，让菌丛中的不同微生物经过基因转殖分配各自的代谢功能，以群体调控的方式维持微生物生态稳定生长。

基因改造微生物合成抗体、细胞激素等治疗分子

一般抗体与蛋白药物若采取口服给药途径，可能面临药物分子在生物体内活性不稳定的问题。但如透过具备合成治疗分子功能的微生物，只要少量微生物在宿主体内存活，即可重新再增殖（re-proliferate）、合成出治疗分子并直接传递到目标器官构造。此外如果微生物是来自宿主体内原生种类，也不易引发宿主的免疫发炎反应。目前针对溃疡性结肠炎，已出现以微生物基础的新型药物传递系统，如运用工程化拟杆菌（Bacteroides ovatus）合成 TGF-β1 分子、乳酸菌（Lactococcus lactis）合成细胞激素 IL-10，达到缓解肠道发炎症状。

对于一些难治性疾病如爱滋（AIDS）、癌症领域，微生物治疗也带来新的医学契机。例如改造大肠杆菌使其能分泌抑制 HIV 融合感染黏膜细胞的胜肽，由于多数爱滋感染都发生在胃肠道和阴道黏膜细胞，黏膜表面本身就聚集多样的非致病共生细菌，所以借由改造天然存在的细菌成为一种新兴的治疗管道。癌症方面，则有选殖大肠杆菌、沙门氏杆菌（Salmonella typhimurium）以分泌抑制肿瘤生长蛋白。这些新型治疗模式都在动物试验早期阶段。

生物传感器（biosensor）侦测疾病发生进展

微生物在宿主体内产生治疗分子的过程中，可能会因连带生成代谢物造成人体副作用的隐忧。为了减低这方面的风险，现在已有技术使微生物带有生物传感器（biosensor）功能，传感器能够借由侦测针对特定疾病的生物标记物（biomarker），再以萤光讯号呈色，达到监测疾病进展功用。

常见的 biomarker 包含，以大肠杆菌侦测与消化道出血有关的血基质（heme）分子、侦测与发炎反应或糖尿病相关的一氧化氮（NO）分子。未来改善方向则是增加传感器灵敏度，使其能够侦测到低浓度范围的目标分子、提升与目标分子特异性结合的能力。

终极目标！像电子电路模组化调控微生物功能

微生物群在人体中扮演的重要性逐渐成为医药研发焦点，从益生菌、FMT 到借助合成生物学改造调控的微生物治疗方法，逐步累积在各疾病领域的临床进展，生技医药新创与大厂也相继挹注资源整合 AI、自动化培养、基因选殖等多元技术以扩大微生物治疗的应用层面。

合成生物学辅助下的微生物治疗核心概念，是把电子电路的运作原理置换到基因工程，借由微生物作为载体，微生物带有各基因元件组合形成的基因回路（gene circuit）能够以模组化型式运作，达成希望调控的疾病状态与治疗效果。

而为了达到那样的目标，研究者目前在努力的方向包含更真实模拟体外培养微生物的环境，例如加强研发像血管软组织、免疫系统、基质的测试平台。除此，也有研究者持续探讨微生物菌丛在宿主体内运作与环境讯号之间的关联，不断改善微生物治疗方法稳定性与安全性，不论从调控治疗分子释放速率、建立微生物生态共生关系、长期评估基因转移风险等方向着手。微生物学与工程学跨域双管齐下，可以预期将持续拓宽医药技术的边界。

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参考资料：
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