“人體并不是一座自給自足的世外小島，它更像一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，一個龐大的社會，里邊寄居著數(shù)以萬億計的細(xì)菌和其他微生物。”
中國科學(xué)院微生物研究所的專家表示，在一定程度上，細(xì)菌才是人體的 “主宰者”。
這些共生細(xì)菌 “軍團(tuán)” 所編碼的基因高達(dá) 1000 萬種，數(shù)量達(dá)人體自身基因數(shù)量 150 倍，廣泛寄生于口腔、呼吸道、胃腸道、泌尿生殖道、皮膚等部位，構(gòu)成規(guī)模龐大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微生物群落，以精微又復(fù)雜的方式影響著人體的消化、免疫等水平。這些細(xì)菌當(dāng)中，既有維持人體健康運轉(zhuǎn)所必須的有益菌，也有具有致病性與傳染性的有害菌。那么，是否可以駕馭這些無處不在的細(xì)菌，讓其為人所用呢？

科學(xué)家利用基因工程的方法，通過對大腸桿菌、長雙歧桿菌、乳酸乳球菌等細(xì)菌進(jìn)行有目的的增加、刪減或改變遺傳物質(zhì)，讓外源基因得到高效表達(dá)的菌類細(xì)胞株系，獲得了 “工程菌” 或者 “工程細(xì)胞株”，這些定制化工程菌被廣泛應(yīng)用于醫(yī)****、食品、能源、化工和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，并憑借其更優(yōu)異的性能幫助這些傳統(tǒng)行業(yè)打破了諸多瓶頸。

在生物醫(yī)****領(lǐng)域，工程菌應(yīng)用起點最早可追溯至 19 世紀(jì)中葉，美國醫(yī)生 William B. Coley 就發(fā)現(xiàn)化膿性鏈球菌讓患者體內(nèi)的腫瘤發(fā)生消退，基于這一發(fā)現(xiàn)，他很快研制出了用于治療腫瘤的細(xì)菌制劑 “科利毒素”。自此，正式開啟了學(xué)界對各種 “細(xì)菌療法” 的研究熱情，并試圖不斷拓展細(xì)菌治療疾病的邊界。但很長時間以來，由于操作細(xì)菌的技術(shù)手段有限，這些改造后的菌株的治病能力一直停留在較低的水平。
直到近年來，被稱為 “第三次生物技術(shù)革命” 的合成生物學(xué)的迅速崛起，為醫(yī)****領(lǐng)域的工程菌帶來了全新的發(fā)展契機和生命力。
合成生物學(xué)從設(shè)計到構(gòu)建、調(diào)試再到優(yōu)化遵循工程學(xué)的循環(huán)模式，具備高度的模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化特征，以 “自上而下” 的全新理念，實現(xiàn)了對生物技術(shù)的全面革新。這意味著，科研人員可以利用這種技術(shù)更加便捷高效地改造各種細(xì)菌，讓其失去傳染致病性，同時導(dǎo)入目的基因，然后操控細(xì)菌抵達(dá)指定的目標(biāo)位置后，感染靶細(xì)胞，釋放治療基因，從而實現(xiàn)炎癥性疾病、免疫性疾病、代謝紊亂、腫瘤、帕金森癥和酒精性脂肪肝等疾病的精準(zhǔn)診斷與治療。

這種經(jīng)過合成生物學(xué)全新賦能的工程菌療法還將能夠在很大程度上克服傳統(tǒng)****物治療、化療的三大明顯缺陷：一是無腫瘤靶向性，即大量系統(tǒng)性給****后，腫瘤內(nèi)部的****物濃度依然保持較低水平，不但療效不顯著，且存在成本高、副作用大等缺陷；二是隨著時間累積，****物的代謝速度加快，****物濃度迅速下降；三是實體瘤內(nèi)部的低氧微環(huán)境，會引起腫瘤干細(xì)胞對于各種療法的抗性增加。
醫(yī)****領(lǐng)域工程菌的可觀的應(yīng)用前景吸引了產(chǎn)學(xué)研各界力量競相入局。近兩年來，國內(nèi)外科研團(tuán)隊及領(lǐng)軍企業(yè)相繼在該領(lǐng)域取得了很多突破性進(jìn)展，部分代表性成果如下：
天津大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王漢杰教授，將納米生物學(xué)、合成生物學(xué)、光遺傳學(xué)三種技術(shù)交叉融合到一起，致力于設(shè)計光敏感工程菌，以提高定植效率，同時應(yīng)用于腸道炎癥、靶向腫瘤的預(yù)防與治療等。
2021 年 9 月，他帶領(lǐng)團(tuán)隊在 Cell Reports 上發(fā)表論文，他們結(jié)合基因工程和光遺傳學(xué)的方法，為工程菌（E.coli Nissle 1917）的可控有效定植提供了新的解決方案。具體來說，團(tuán)隊采用凝膠微球包裹的稀土上轉(zhuǎn)換材料，將近紅外光在體內(nèi)轉(zhuǎn)換為藍(lán)光，然后激活體內(nèi)重組光響應(yīng)細(xì)菌并分泌粘附蛋白，從而實現(xiàn)了工程菌的精確定植，該試驗成功減輕了患有結(jié)腸炎小鼠的病癥。這一研究成果將有效助力對腸道功能紊亂、腦 - 腸軸預(yù)防、延緩神經(jīng)疾病等其他器官疾病的治療效果。

2021 年 10 月，瑞士貝林佐納腫瘤研究所一研究團(tuán)隊采用合成生物學(xué)技術(shù)和工程微生物療法，開發(fā)了一種工程益生菌大腸桿菌 Nissle 1917 菌株，這種非致病性大腸桿菌可在腫瘤中生存和生長，同時可有效引導(dǎo)氨用于精氨酸的合成，從而在局部產(chǎn)生高濃度的精氨酸，進(jìn)一步能夠幫助調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境代謝，提高免疫治療效果。
與之類似的是，2021 年 10 月，瑞士提挈諾大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究所的 Roger Geiger 研究團(tuán)隊在 Nature 上發(fā)表論文，他們利用合成生物學(xué)的方法開發(fā)出一種工程菌株，其能夠在腫瘤中有效定植，同時能夠持續(xù)將腫瘤的代謝廢物氨轉(zhuǎn)化為 L-arginine，成功提升了腫瘤微環(huán)境中的 L-arginine 水平，增強 PD-L1 抗體的免疫治療效果。但何種腫瘤類型會對該工程菌株產(chǎn)生良好響應(yīng)性還有待深入研究。

2021 年 9 月，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳國強課題組發(fā)表論文，通過在 EcN 中過表達(dá) 3HB 的方式，獲得了一株重組菌 EcNL4，其可以在腸道定植，以食物為原料合成****物，****物直接在原位緩釋，降低了****物的脫靶作用，使****物遞送更加有效，其****效遠(yuǎn)比 EcN 和 3HB 單獨作用時更強，在治療腸炎時展現(xiàn)了 “1+1＞2” 的效果。
具體而言，與現(xiàn)有微生物****物相比，這種利用合成生物學(xué)方法設(shè)計的微生物****物可通過選擇高定植性的底盤菌株，提高自身魯棒性，過表達(dá)表面黏附物質(zhì)，參與腸道關(guān)鍵生命活動等方式成為優(yōu)勢菌群。
5年內(nèi)融資近2億美元，中美融資頻次相當(dāng)

在學(xué)界積極推進(jìn)工程菌相關(guān)研究的同時，國內(nèi)外的合成生物學(xué)公司也開始在這一領(lǐng)域進(jìn)行全面布局，一方面加快新****研發(fā)速度，開展臨床實驗（如下圖所示），另一方面不斷吸納資金，擴大融資規(guī)模。
根據(jù) CB Insights 數(shù)據(jù)，2016 年至 2021 年 11 月下旬，全球醫(yī)****工程菌行業(yè)的融資總額近 1.8 億美元，融資事件近 10 次。自 2016 年開始，每年針對工程菌行業(yè)的投資活動超過 90% 都集中于 C 輪及以內(nèi)的投資，2021 年發(fā)生的投資均為種子輪或天使輪，這意味著業(yè)內(nèi)對工程菌的關(guān)注度與認(rèn)知度在不斷提升，資本開始對擁有新技術(shù)的初創(chuàng)公司不斷加碼。

在過去 5 年中，醫(yī)****工程菌領(lǐng)域的投融資事件主要集中在中國、美國和丹麥。其中，中國與美國的融資次數(shù)相當(dāng)，均為 4 次，在全球融資事件總數(shù)中占比均為 44.4%；但融資規(guī)模最大的是美國，該國 2016 年至今的行業(yè)總?cè)谫Y規(guī)模超過 1.1 億美元，比中國同期總?cè)谫Y金額高出 725.3%。

美國的合成學(xué)生物公司 Synlogic（Nasdaq：SYBX）一直是醫(yī)****工程菌領(lǐng)域內(nèi)最活躍的公司之一，2016 年至今，該公司進(jìn)行的 2 次大規(guī)模融資活動累計籌集資金超過 0.8 億美元。國內(nèi)方面，融資較為活躍的分別是上海羽冠生物技術(shù)有限公司（Delonix Bioworks，以下簡稱 “羽冠生物”）、和度生物醫(yī)****（上海）有限公司（CommBio Therapeutics，以下簡稱 “”）。羽冠生物于今年 10 月完成 1400 萬美元的種子輪融資，由勃林格殷格翰風(fēng)險基金（BIVF）和 IDG 資本共同領(lǐng)投，真格基金等機構(gòu)跟投。

和度生物（CommBio Therapeutics）于 2019 年底和 2021 年 10 月相繼完成天使輪與 Pre-A 輪融資，分別由冪方資本與鼎暉投資領(lǐng)投，具體金額未披露，主要用于加速公司創(chuàng)新****研發(fā)， 推動微生物細(xì)菌載體基因治療研究進(jìn)入臨床前****物開發(fā)階段。


CB Insights 數(shù)據(jù)顯示，2016 年至今，全球醫(yī)****工程菌行業(yè)的融資頻次總體保持在較低水平，表現(xiàn)較活躍的投資機構(gòu)為美國的風(fēng)險投資 New Enterprise Associates 和 Atlas Venture。前者的大部分投資集中在信息技術(shù)、醫(yī)療保健和能源技術(shù)三大領(lǐng)域的早期階段公司，對中國和印度等市場尤為關(guān)注；后者的投資領(lǐng)域更加垂直，始終專注于投資生物技術(shù)創(chuàng)新的早期風(fēng)險投資公司。此外，現(xiàn)階段世界 500 強中醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域企業(yè)對工程菌技術(shù)的關(guān)注度還處于較低水平，在過去 5 年中，只有強生（Johnson & Johnson）等個別企業(yè)為工程菌賽道進(jìn)行過注資。

目前，絕大多數(shù)工程菌尚處于研究階段，只有少數(shù)獲批進(jìn)入臨床實驗階段，但總體而言，國內(nèi)的相關(guān)研究進(jìn)展相對落后，而影響工程菌向臨床應(yīng)用快速轉(zhuǎn)化的因素包括：

1. 安全性問題。這就需要大量的臨床前試驗與豐富的試驗數(shù)據(jù)作為佐證，來推進(jìn)后續(xù)的臨床試驗及投入市場使用；

   
   

2. 工程菌的效率存在 “三低” 問題。具體是指使用效率低、腸道定值效率低以及產(chǎn)物轉(zhuǎn)化效率低等，這也是很多初創(chuàng)公司在前期臨床試驗階段集中遭遇失敗的主要原因之一，而核心的解決方案就是持續(xù)改進(jìn)工程竣的性能；

   
   

3. 法規(guī)不健全，相關(guān)的審批流程不完善。尤其是國內(nèi)，目前尚沒有專門的指導(dǎo)性文件規(guī)范工程菌研發(fā)企業(yè)從臨床研究到新****生產(chǎn)再到上市申請的一系列流程，這在一定程度上減緩了從科研成果到成熟產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化速度。

   
   

但隨著合成生物學(xué)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展成熟，工程菌領(lǐng)域相關(guān)的科研和資本力量也會不斷壯大，因此，工程菌技術(shù)有望在未來憑借較好的生物相容性與精確的****物遞送效率，成為極具潛力的新型活體療法。該技術(shù)的具體發(fā)展前景如下：

1. 現(xiàn)階段，已初步實現(xiàn)了針對單菌的定制改造，未來的工程菌研發(fā)將向多功能化方向發(fā)展，同時，需結(jié)合合成生態(tài)學(xué)，深化對菌群群落間相互作用的機制及功能的研究，以提升工程菌定制效率和性能；

2. 工程菌療法發(fā)展成熟后將在降低醫(yī)療成本方面釋放出更多潛力，這將有助于提高民眾對于這一療法的認(rèn)知程度與接受程度；

   
   

3. 政府和相關(guān)機構(gòu)將繼續(xù)加大對工程菌行業(yè)的扶持力度，一方面通過國家自然科學(xué)基金等項目對工程菌的相關(guān)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和資源平臺建設(shè)給予政策及資金方面的支持；另一方面，完善基因治療****物的相關(guān)審批政策，規(guī)范從研發(fā)到上市的整體流程，提升基礎(chǔ)研究向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化效率；

   
   

4. 隨著合成生物學(xué)體系內(nèi)硬件、軟件、平臺的搭建趨向完善，未來 20-30 年，工程菌技術(shù)將與腸道微生物、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等療法一起共同成為風(fēng)險投資等多種資本的關(guān)注焦點，而密集的資金涌入該賽道后將有力助推更多初創(chuàng)企業(yè)的崛起，使行業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈初見雛形。

生輝觀點

1. 融資方面：醫(yī)****領(lǐng)域的創(chuàng)新性工程菌技術(shù)將向資本市場釋放持續(xù)吸引力，推動科研成果從實驗室到臨床的轉(zhuǎn)化。

   
   

2. 技術(shù)方面：政策、資本、產(chǎn)業(yè) “三駕馬車” 齊驅(qū)，推動醫(yī)****領(lǐng)域的工程菌相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展成熟，加快彌合與發(fā)展較快的美國方面的差距；同時擴大該技術(shù)的適應(yīng)病癥，將應(yīng)用觸角不斷向腫瘤、炎癥性腸炎等疾病之外的疑難雜癥。

   
   

3. 市場方面：工程菌技術(shù)將成為新的 “黑馬”，撬動腫瘤免疫及炎癥性腸病治療等領(lǐng)域的千億美元藍(lán)海市場。根據(jù)相關(guān)機構(gòu)研究數(shù)據(jù)，全球腫瘤免疫治療市場的規(guī)模預(yù)計將于 2025 年達(dá)到 1082 億美元，于 2030 年將達(dá)到 2298 億美元；與此同時，中國炎癥性腸病未來五年的****物治療市場規(guī)模將持續(xù)增長，預(yù)計將于 2024 年突破百億元人民幣，年均復(fù)合增長率超過 5%。工程菌技術(shù)將在腫瘤免疫治療中扮演重要的角色，以高達(dá) 25% 的增速快速形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

   
   

4. 政策方面：政府將加大對工程菌相關(guān)研究的支持力度，同時，規(guī)范新****研發(fā)流程與臨床實驗監(jiān)管力度，引導(dǎo)行業(yè)健康發(fā)展。

參考資料：[1] Zhaoting Li, Yixin Wang, Jun Liu., et al. Chemically and biologically engineered bacteria-based delivery systems for emerging diagnosis and advanced therapy, Advanced Materials, 2021.8[2] David T. Riglar, Pamela A. Silver, Study on supervision policy of cell therapy in the United States, European Union, Nature Reviews Microbiology, 2018[3] 中國科學(xué)院微生物研究生 官網(wǎng)：http://www.im.cas.cn/[4] 和度生物 官網(wǎng)：http://www.commbiotx.com/Product.aspx?cid=2613[5] 港****溶瘤生物制****有限公司 官網(wǎng)：https://www.yb1bio.com/[6] RAO Cong，YUN Xuan，YU Yi，DENG Zixin. Recent progress of synthetic biology applications in microbial pharmaceuticals research［J］. Synthetic Biology Journal，2020，1（1）：92-102[7] 李春 等，《合成生物學(xué)》，化學(xué)工業(yè)出版社，2019.10[8] 熱心腸研究院：2021全球益生菌產(chǎn)學(xué)研發(fā)展動向白皮書[9] 廣證恒生：【微生態(tài)****物專題報告】見“微”知著 — 微生態(tài)****物春芽初茁，正值布局良機[10] 跨越世紀(jì)的細(xì)菌療法再掀浪潮，專家點評：合成生物學(xué)將助其進(jìn)入新階段（生輝：https://mp.weixin.qq.com/s/2_AR3BGh1q9XC1zm-oRe6Q）[11] Fernando P. Canale, Camilla Basso, Gaia Antonini, Metabolic modulation of tumours with engineered bacteria for immunotherapy, Nature, 2021[12] Meihui Cui, Tao Sun, Shubin Li, Huizhuo Pan, et al. NIR light responsive bacteria with live bio-glue coatings for precise colonization in the gut, Cell Reports, 2021[13] Xu Yan, Xin-Yi Liu, Dian Zhang, Yu-Dian Zhang, et al. Construction of a sustainable 3-hydroxybutyrate-producing probiotic Escherichia coli for treatment of colitis, Cellular & Molecular Immunology, 2021[14] Victoria Garrido, Carlos Pi?ero-Lambea, Irene Rodriguez-Arce, et al. Engineering a genome-reduced bacterium to eliminate Staphylococcus aureus biofilms in vivo, Molecular Systems Biology, 2021
-End-