中国发表 | Nature：当工程益生菌遇上葡萄糖传感器，糖尿病"按需分泌"新范式

一种"会看血糖行事"的口服益生菌

2型糖尿病的治疗正在经历一场从"持续给药"到"智能响应"的范式转变。GLP-1受体激动剂虽疗效确切，但持续高暴露带来的胃肠道反应、甲状腺C细胞相关风险及低血糖隐患仍不容忽视；细胞治疗虽能实现葡萄糖响应性胰岛素分泌，却需要移植和免疫抑制。

能否找到一种既能感知血糖、又能按需分泌药物，同时口服即可、无需移植的方案？

近日，华东师范大学叶海峰团队在Nature发表了一项研究：他们以益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）为底盘，构建了一套名为GIFT（Glucose-sensing and functional response probiotic living drug，葡萄糖感应功能响应益生菌活体药物）的系统。该系统能在肠道内实时感知葡萄糖浓度，仅在高血糖时启动GLP-1表达，血糖恢复正常后自动关闭——在小鼠和食蟹猴中均实现了安全有效的血糖控制。

分子开关：HexR如何感知葡萄糖

GIFT的核心是一个来自恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）的转录调控因子HexR。研究团队将HexR及其结合位点HexO引入EcN，构建了合成启动子P_HexR。

其工作逻辑如下：

● 低糖时：HexR蛋白结合P_HexR上的HexO位点，抑制下游基因表达，系统处于"关闭"状态；

● 高糖时：葡萄糖经Entner-Doudoroff（ED）途径代谢为2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸（KDPG），KDPG与HexR结合使其从启动子上解离，下游基因（如GLP-1）开始转录表达。

经过启动子、核糖体结合位点（RBS）和HexO拷贝数的系统优化，最优构型（P_Tac+RBS4+4×HexO）在20 mM葡萄糖诱导下实现了48.8倍的sfGFP表达上调。更关键的是其响应阈值：葡萄糖浓度低于5 mM时几乎无诱导，超过10 mM后表达急剧升高——这一阈值与糖尿病临床诊断标准（空腹血糖>7 mM、随机血糖>11.1 mM）高度吻合。

该系统还具有良好的可逆性：在0 mM与20 mM葡萄糖交替循环中，sfGFP表达在12小时内完全可逆切换，证明GIFT能够随血糖波动实时"开"与"关"

小鼠验证：从单次给药到30天长期控制

研究团队将缩短版人GLP-1作为治疗载荷，通过LamB信号肽实现细菌分泌，约33.3%的GLP-1被分泌至培养上清。在瘦素受体缺陷的db/db糖尿病小鼠中（空腹血糖>16.6 mM，肠道葡萄糖约15 mM），单次口服GIFT_GLP-1（10^9 CFU/只）12小时后血糖显著降低。血清GLP-1在给药后2–4小时达峰，随血糖正常化而下降，呈现明确的葡萄糖依赖性分泌动力学。一个值得注意的发现是：门静脉血中GLP-1浓度显著高于外周血（门-体梯度），提示GIFT分泌的GLP-1主要通过肠-肝门脉感知和神经通路发挥作用，而非依赖全身高浓度暴露。

在30天每日给药实验中，GIFT_GLP-1组小鼠：

● 血糖持续维持在正常范围，葡萄糖耐量（IGTT）和● 胰岛素耐量（ITT）显著改善；

● 糖化血红蛋白（HbA_1c）显著降低；

● 血浆胰岛素水平显著升高；

● 肝糖原储备增加，附睾脂肪系数降低。

不止降糖：代谢改善与并发症缓解

GIFT的疗效并不局限于血糖本身。30天治疗后，db/db小鼠还表现出：

脂质与能量代谢改善：体重增长和脂肪量减少，血清甘油三酯和总胆固醇降低；摄食量减少，氧耗和CO2产生增加，呼吸交换率（RER）下降——提示能量代谢从糖氧化转向脂肪酸氧化，全身能量消耗增加。

糖尿病并发症缓解：

智能餐后响应：高糖才触发，低糖不动作

GIFT的"智能"不仅体现在长期血糖控制，还在于对餐后血糖波动的精准响应。研究团队用高糖食物（可乐含11.2 g碳水/100 mL，巧克力含43 g碳水/100 g）和低糖食物分别测试：

● 高糖食物可显著激活GIFT传感器，GIFT_GLP-1组餐后血糖峰值显著降低；

● 低糖食物几乎不触发系统响应。

为提高活性GLP-1产量，研究团队还设计了GLP-1四聚体，通过肠激酶切割位点连接，可被小肠上皮细胞分泌的肠激酶激活，在体内显著增加了活性GLP-1的释放。

在多种糖尿病模型中，GIFT均显示出疗效：低碳水饮食的db/db小鼠仍能被激活并降低血糖和体重；饮食诱导肥胖（DIO）小鼠空腹血糖无显著变化（基础葡萄糖升高不足以激活系统），但长期给药改善了胰岛素抵抗、体重、脂肪量和血脂；链脲佐菌素（STZ）诱导的非遗传性2型糖尿病模型中，30天给药同样恢复了葡萄糖稳态。

从鼠到猴：食蟹猴验证

在更接近人类的自发性2型糖尿病食蟹猴中，GIFT同样表现出色。

单次给药（2×10^11 CFU/kg）：血清GLP-1和血浆胰岛素快速升高，血糖显著降低，效果持续3天。

5周长期研究（每3天给药一次，第0–33天）：

● 葡萄糖稳态有效恢复，口服糖耐量（OGTT）显著改善；

● 胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）显著降低；

● 血脂轻度改善（甘油三酯、总胆固醇、HDL、LDL均降低）；

● 肝肾功能指标（ALT、AST、白球比、BUN、肌酐）治疗前后无差异；

● 血常规未见白细胞或免疫细胞亚群显著增加，无炎症或过敏迹象；

● 体重稳定。

对标司美格鲁肽：更低暴露，更少不良反应

研究团队在db/db小鼠中进行了GIFT与司美格鲁肽（Semaglutide）的头对头比较，结果耐人寻味：

GLP-1暴露量差异巨大：GIFT组血清GLP-1水平为40–250 pM（6小时内），而司美格鲁肽组高达6000–12000 pM——后者是前者的数十倍，但两者降糖疗效相当。这提示门脉局部的GLP-1信号足以介导降糖效应，无需全身高暴露。

安全性差异显著：

此外，条件性味觉厌恶实验显示，司美格鲁肽组对蔗糖溶液表现出更强的厌恶和饮水减少，而GIFT组无此现象。甘精胰岛素单药约20%低血糖风险，联用司美格鲁肽后显著增加，而联用GIFT不增加低血糖事件——这正是葡萄糖响应性释放的核心安全优势：血糖正常时系统自动关闭，不会"过度降糖"。

安全性与局限