麻省理工学院的工程师们研发出了一种由天然细菌与经改造细菌混合组成的益生菌，能够用来诊断和治疗霍乱。
霍乱是一种导致严重脱水的肠道传染病，其爆发通常是由受污染的饮用水引起，若不及时治疗可能会致命。霍乱最常用的治疗方法是补水，如果病人重度脱水，则必须进行静脉补液。然而，静脉注射治疗并不完全有效，每年仍然有约 95,000 人死于这种疾病。
麻省理工学院医学工程和科学研究所（IMES）及生物工程系教授、本文高级作者 James Collins 称，研究团队所研发的新型混合益生菌可以作为预防措施在霍乱高发地区定期被食用，或用于治疗刚刚感染的患者。
图丨 James Collins
“我们的目标是利用合成生物学来研发一种廉价的检测和诊断方法，并同时抑制或治疗霍乱感染，”Collins 说。“如果某种方法能够以低廉的价格快速地诊断疾病，并使用天然的或经过基因改造的益生菌来治疗，那么它将在世界上许多地方产生颠覆式的效应。”
本研究发表在了 6 月 13 日的《科学：转化医学》（Science Translational Medicine）杂志上，共同第一作者分别是原波士顿大学研究生 Ning Mao、麻省理工学院的博士后 Andres Cubillos-Ruiz，以及原麻省理工学院博士后 D. Ewen Cameron。
检测与治疗
为了创建他们对霍乱的“活体诊断法”，研究人员选择了一种叫做乳酸乳球菌（ Lactococcus lactis）的细菌，这种细菌对于人类食用是安全的，并被用于生产奶酪和酸奶。
他们将一种基因电路植入乳酸乳球菌，这种电路可以检测出霍乱病原体——霍乱弧菌（Vibrio cholerae）所产生的一种分子：CAI-1。当经过改造的乳酸乳球菌检测到 CAI-1 时，它将开启一串分子信号级联通路，合成β-内酰胺酶。通过分析粪便样本，能够检测到这种酶产生的红色。这一过程仅需数小时完成，但研究人员们仍希望继续缩短时间。
研究人员希望进一步改造乳酸乳球菌，使其能够治疗或预防霍乱感染。他们首先改造细菌，使其能够产生杀灭霍乱弧菌的抗菌肽，然而最终他们发现，这种肽由细胞分泌时变得对霍乱弧菌无效。
然而幸运的是，研究团队意外发现了未改造的乳酸乳球菌能够通过产生乳酸来杀死霍乱弧菌。乳酸是它们新陈代谢的天然副产物，通过使胃肠道环境酸性更强，能够抑制霍乱弧菌的生长。
经改造的乳酸乳球菌无法产生足够杀死霍乱弧菌的乳酸，因此研究者们将改造过的细菌与为改造的细菌混合，得到了既能够检测又能够治疗霍乱的混合益生菌。在小鼠实验中，研究者们发现益生菌混合物能够成功预防霍乱感染，同时也能治疗已存在的感染。
抗生素的替代品
Collins 说，他期待益生菌可以被添加至一种药丸或一种类似于酸奶的饮料中，可以作为一种预防措施或治疗感染的方法。拥有诊断霍乱简易方法，也可以帮助公共卫生官员及早发现疫情并监测疾病的传播。
新加坡国立大学生物化学系副教授 Matthew Chang 说：“我对这项研究非常感兴趣，因为它带来了一系列深远的、实际的可能性，同时也是科学的进步。”他未参与这项研究。
“例如，这项工作无疑使我们能够设想直接使用益生菌与其改造形式来监测和预防霍乱，”Chang 说。“更重要的是，许多人可以利用这项研究，尤其是其可推广的‘探测与反应’方法，设计出针对其他传染性疾病的各种基于饮食的预防策略。”
目前，这支研究团队正在探索利用这种方法打击其他微生物，如造成胃肠道感染的艰难梭状芽胞杆菌（Clostridium difficile），及能够造成多种感染的肠球菌（enterococci）。
“人们对使用益生菌治疗疾病的兴趣越来越大，这主要是因为人们逐渐认识到微生物群落以及它在健康和疾病中所起的重要作用，以及寻找抗生素替代品的迫切需求，”Collins 说。