2025年01月，南昌大学陈廷涛研究员团队在Taylor & Francis旗下期刊Gut Microbes期刊上发表题为Hypoglycemic effect of C. butyricum-pMTL007-GLP-1 engineered probiotics on type 2 diabetes mellitus的研究论文。该研究发现丁酸梭菌工程益生菌C. butyricum-pMTL007-GLP-1通过激活GLP-1R/AC/PKA胰岛素分泌信号通路和调节肠道菌群改善II型糖尿病（Type II Diabetic Mellitus, T2DM）小鼠高血糖症状。南昌大学陈廷涛研究员、刘琼教授和李胜杰博士为本文的共同通讯作者，硕士研究生周得喜和博士研究生胡岗为本文的共同第一作者。
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Hypoglycemic effect of C. butyricum-pMTL007-GLP-1 engineered probiotics on type 2 diabetes mellitus
作者：Dexi Zhou, Shengjie Li*, Gang Hu, Yufan Wang, Zhanghua Qi, Xuan Xu, Jing Wei, Qiong Liu* & Tingtao Chen*
DOI：10.1080/19490976.2024.2447814
Part.1
研究背景
II型糖尿病（Type II Diabetic Mellitus, T2DM）是一种全球性流行病，是遗传背景和环境因素相互作用的结果。研究表明，T2DM的特征是胰岛β细胞功能逐渐丧失，并伴有不同程度的胰岛素抵抗。国际糖尿病联合会（International Diabetes Federation，IDF）发布的数据结果显示，2021年全球20-79岁糖尿病患者人数约为5.366亿，预计到2045年将攀升至7.832亿，其中T2DM患者占90%至95%。这种慢性疾病可导致多种并发症，包括视网膜病变、肾脏疾病、缺血性心脏病和中风，最终导致多器官功能衰竭甚至死亡。虽然双胍类、磺脲类、噻唑烷二酮类和α-葡萄糖苷酶抑制剂等特定药物在治疗T2DM方面发挥着重要作用，但它们往往伴随着恶心、呕吐和腹泻等胃肠道并发症。
胰高血糖素样肽-1（GLP-1）是一种肠源性激素，具有葡萄糖浓度依赖性降糖作用，但由于其血浆半衰期不足2分钟，多数产品必须持续静脉滴注才能产生疗效。尽管目前已经开发出GLP-1类似物和二肽基肽酶-IV（DPP-IV）抑制剂以克服这一缺陷并取得了一定进展，但该药物价格昂贵且需长期注射给药等一系列问题依然困扰着广大患病人群。近年来，工程益生菌作为新型“细胞工厂”，不仅可以实现药物分子的原位表达和持续递送，还兼具菌群调节的基本属性，在合成生物学与大健康领域备受关注。
Part.2
研究方法
该研究团队利用重组质粒pMTL007、以专利菌株丁酸梭菌C. butyricum CGMCC 25504为宿主菌，成功构建了一株能有效表达和递送GLP-1的丁酸梭菌基因工程菌C. butyricum-pMTL007-GLP-1（Cb-GLP-1）。通过血糖监测、生化分析、蛋白免疫印迹、组织病理学检查和肠道微生物群高通量16S rRNA测序等综合方法，研究了Cb-GLP-1工程菌对T2DM小鼠的降血糖作用，并阐明了其潜在机制，以期为糖尿病的临床管理提供创新性的策略和措施，并为推动未来工程细菌药物的开发提供宝贵的数据。
Part.3
研究结果
首先，作者对工程菌的体外性能进行了评估。在Cb-GLP-1工程菌的上清液中检测到了GLP-1的表达。同时，工程菌具有良好的生长性能及其对酸和胆盐的耐受性（图1）。
Figure 1 工程菌C. butyricum-pMTL007-GLP-1体外表达能力及益生菌特性评价
随后，作者利用高脂饮食和STZ诱导的T2DM小鼠模型来评估Cb-GLP-1工程菌株对小鼠表型的潜在影响。作者观察到，M组小鼠的血糖水平升高、体重减轻、糖耐量和胰岛素敏感性受损，这与T2DM的生理指标一致。相比之下，Cb-GLP-1组小鼠的这些症状得到了明显改善（图2）。
Figure 2 Cb-GLP-1可改善T2DM小鼠的高血糖症状，防止体重减轻
接下来，作者进一步探究了Cb-GLP-1对小鼠脂质代谢的影响。结果表明，Cb-GLP-1能调节T2DM小鼠血脂异常并改善肝功能损害。油红O染色显示，Cb-GLP-1处理后小鼠肝脏红色油滴数减少，在一定程度上减少脂肪沉积，降低肝脏负荷（图3）。
Figure 3 Cb-GLP-1可减轻T2DM小鼠的血脂异常、肝损伤并减少脂质沉积
作者进一步探究了Cb-GLP-1工程菌对胰岛细胞凋亡的影响。H&E染色和Western-blot结果表明，Cb-GLP-1能够促进胰岛形态恢复，这一结果可能是通过抑制凋亡蛋白的表达来实现的（图4）。
Figure 4 Cb-GLP-1通过抑制凋亡通路相关蛋白的表达，防止T2DM小鼠胰腺细胞凋亡
进一步地，作者探究了Cb-GLP-1对胰腺组织胰岛素分泌的影响。结果表明，Cb-GLP-1通过激活胰高血糖素样肽1受体/腺苷酸环化酶/蛋白激酶A（GLP-1R/AC/PKA）信号通路促进胰岛素分泌，胰岛素免疫荧光实验观测到荧光信号明显增强（图5）。
Figure 5 Cb-GLP-1能上调参与胰岛素分泌通路的蛋白质的表达，并增强T2DM小鼠胰腺的胰岛素分泌
最后，作者探究了Cb-GLP-1对小鼠肠道组织的影响。研究结果显示，Cb-GLP-1能上调紧密连接蛋白Occludin和ZO-1的表达修复肠道屏障，减轻肠道炎症。此外，粪便微生物16S rRNA基因测序结果表明，Cb-GLP-1可以恢复微生物群多样性，调节肠道菌群平衡，具体表现为乳杆菌属（Lactobacillus）和普罗威登斯菌属（Providencia）丰度降低。
Figure 6 Cb-GLP-1减轻结肠炎症反应，调节肠道微生物群紊乱
Part.4
研究结论
该研究以丁酸梭菌为宿主菌，构建了一株有效表达GLP-1的工程益生菌C. butyricum-pMTL007-GLP-1。在T2DM小鼠模型中，该工程益生菌的口服给药表现出调节血脂异常、改善肝脏病变、抑制胰岛细胞凋亡以及维持肠道稳态等多重功效，并通过激活GLP-1R/AC/PKA信号通路促进胰岛素分泌进而降低T2DM小鼠的血糖浓度，具有降血糖疗效。此外，该工程益生菌可依托宿主菌的产孢子性能，保护其耐受多种恶劣环境条件，如强酸、高温和高胆盐等，可有效延长后续产品的货架期并节约产品开发和流通成本，具有较强的产品开发潜能。因此，该研究为进一步研究和迭代糖尿病口服疗法提供了新的思路和见解。然而，本研究没有探讨丁酸梭菌的代谢产物—丁酸与该工程益生菌对T2DM小鼠的协同作用，该科学问题值得未来深入研究。
Part.5
作者简介
陈廷涛
研究员/赣江特聘教授，博士生导师，南昌大学药学院副院长/转化医学研究院副院长、生物工程药物江西省重点实验室主任，生物工程药物及其技术国家地方联合工程研究中心、江西省国家科技创新平台培育平台“生物工程药物技术创新中心”微生物方向负责人。累计发表高水平学术论文208篇，授权专利40件，以第一/通讯作者发表SCI论文156篇。
刘琼
刘琼，男，南昌大学基础医学院教授、博士、硕士生导师。近年来主持国家自然科学基金3项，省级课题3项，以第一作者或者通讯作者发表SCI论文30余篇，二区及以上论文21篇，他引超800次，H因子18。
李胜杰
李胜杰，男，博士，硕士研究生导师，2019年江西省高层次引进人才（四类），南昌大学“215人才工程”赣江青年学者，新加坡国立大学杨璐玲医学院博士后研究员（国家公派）。主要研究方向为合成生物学技术革新及其在生物医学中的创新应用、益生菌和微生物组转化医学研究。主持国家自然科学基金、江西省自然科学基金、省卫健委科技计划和企业技术开发（合作）项目等科研项目5项；先后在国际知名期刊上发表学术论文近30篇，授权国家发明专利4项。
Part.6
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