撰文 | Qi

#癌症#

早在19世纪，人们就发现注射了化脓性链球菌和粘质沙雷氏菌的患者会出现肿瘤消退，因而细菌疗法就确定为潜在的癌症治疗方式，但当时的人们并不知道细菌可能是利用其在缺氧和免疫抑制的肿瘤微环境（TME）中生长的特性，及其免疫刺激作用来引导肿瘤的免疫反应。基于这一原理，利用合成生物学工具可以设计肿瘤特异性细菌递送系统，以提高细菌癌症疗法的疗效和安全性。

近日，来自哥伦比亚大学的Tal Danino等人在Science杂志上发表了一篇题为 Engineering bacteria as interactive cancer therapies的综述，在这篇文章中，他们重点介绍了鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌模型系统工程方面的进展，主要包括细菌、肿瘤细胞和免疫细胞之间的相互作用，以及细菌作为单一药物或与其他方式结合以改善肿瘤检测和治疗方面的内容。

一、工程化细菌对肿瘤细胞的直接作用

尽管细菌在肿瘤中的积累通常是健康器官的10000倍，仍需通过遗传减毒处理以避免其潜在毒性，但减毒的鼠伤寒沙门氏菌VNP20009菌株在减毒的同时也伴随肿瘤定位的明显减弱，因而需要进一步改进策略以提高细菌的肿瘤特异性定位：例如，设计可以增加对癌细胞粘附性的菌株变体，或利用将细菌生长与肿瘤特征（低氧低pH高乳酸）耦合的遗传回路。

第二个问题在于细菌的肿瘤细胞内递送。鼠伤寒沙门氏菌已被用于使用3型分泌系统 (T3SS) 将包含血管生成抑制剂等在内的一系列货物分泌到肿瘤细胞中，经改造以表达李斯特菌溶血素（LLO）的鼠伤寒沙门氏菌可以将质粒递送至特定靶细胞，但效率较低。一种治疗性鼠伤寒沙门氏菌血清型菌株 (DasdVNP20009) 被设计为在感知到肿瘤细胞入侵时自毁，通过将调节沙门氏菌运动和入侵的操纵子（如flhDC）置于阿拉伯糖诱导回路的控制下，以及细菌裂解基因被置于SPI-2启动子的控制之下，可以分别控制细菌摄取和裂解行为。这种细胞内递送沙门氏菌的平台可用于递送有效抑制细胞内PP1全酶并减轻体内肿瘤负荷的药物。

然而，许多治疗靶点，例如肿瘤细胞受体需要额外的细胞外递送方法。使用群体感应 (QS) 的遗传回路可以在细胞外肿瘤环境中实现协调的细菌行为，由于细菌仅在TME中达到高密度，QS有效地充当了可触发重组蛋白表达的肿瘤特异性特征。类似于细胞内裂解细菌的方法，可以在QS控制下克隆噬菌体衍生的裂解基因，实现瘤内细菌增殖、裂解及其内部治疗性物质在胞外空间的释放。这基于鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌来释放各种毒素和免疫治疗剂的方法已被证明可以用来治疗结直肠癌、黑色素瘤和乳腺癌等，提示其作为释放机制的多功能性。

二、工程化细菌对免疫重编程以诱导抗肿瘤反应

将工程细菌引入宿主可以引发可预测的免疫反应，从而建立细菌-免疫细胞联系和可操作利用的反应时间线。在定植和肿瘤内增殖的最早阶段，细菌配体的存在可以作为免疫佐剂来刺激单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞的募集和激活，从而吞噬并清除细菌。一种减毒的鼠伤寒沙门氏菌被设计表达创伤弧菌的鞭毛蛋白FlaB，可以更有效地通过TLR4和TLR5的协同激活刺激先天免疫反应。随着免疫反应的进行，抗原呈递细胞将进入肿瘤，并可能吞噬死亡的肿瘤细胞和瘤内细菌，从而提供可以精确调节以增强抗肿瘤反应的进一步相互作用。例如，大肠杆菌菌株SYNB1891已经被设计用于递送STING激动剂，依赖于吞噬作用将CDA直接递送至APC并诱导IFN-I反应。结合细菌介导的促炎细胞因子产生的益处，STING激动剂的递送在多种小鼠肿瘤模型中导致持久的抗肿瘤免疫和肿瘤消退。目前正在晚期实体瘤和淋巴瘤患者的1期临床试验中进行评估。

除了固有免疫外，当APC吞噬细胞时，它们可以呈递新抗原并刺激适应性免疫反应。源自肿瘤微生物组内天然细胞内细菌的抗原，特别是源自患者的黑色素瘤肿瘤，可由黑色素瘤细胞和浸润性APC呈递，从而激活适应性免疫。一项研究将多个新抗原肽被拴在带有基质金属蛋白酶 (MMP) 靶序列的鼠伤寒沙门氏菌外膜上，被肿瘤特异性蛋白酶从细菌中切割下来释放到TME中，以进行位点特异性的淋巴细胞募集和激活。用工程化的新抗原产生菌株治疗小鼠结直肠肿瘤导致促炎细胞因子如IL-2、TNFα和INF-γ增加，并增加肿瘤浸润淋巴细胞(TIL)的积累。除了免疫调节功能外。瘤内细菌还可以重塑TME并通过代谢调节间接增强适应性免疫反应。例如大肠杆菌可以设计用于将肿瘤代谢废物氨转化为L-精氨酸，可以增加TIL的累计以提高整体治疗效果。除此之外，细菌也可以用多种有效载荷编码，通过产生免疫检查点阻断纳米抗体、细胞因子和趋化因子来激活和募集免疫细胞，进一步编程适应性抗肿瘤免疫反应。例如大肠杆菌可以被编码产生CXCL16以促进细胞毒性T细胞趋化进入肿瘤并引起肿瘤消退。

图1. 工程化细菌对免疫重编程以诱导抗肿瘤反应

三、工程化细菌与瘤外材料和技术联合增强抗癌治疗

除了与TME内的肿瘤和免疫细胞相互作用外，细菌还可以与其他技术联合发挥抗肿瘤作用。例如，基于超声等方法可以进一步对细菌行为进行操纵，允许肿瘤可视化和远程控制以精确调整细菌在肿瘤内的位置和治疗释放的时间。例如，大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌可以用声学报告基因编码，使聚焦超声（FUS）能够检测到细菌在TME中的位置的视觉映射。这种细菌也可以用温度驱动的基因开关进行工程改造，以响应应用的FUS热疗而在肿瘤内释放免疫检查点抑制剂或细胞因子。此外，多项研究也将细菌与磁力引导相结合，以增强工程细菌菌株对缺氧肿瘤核心的渗透率。

此外，纳米粒子、脂质体涂层和放射疗法可以重塑TME并调节细菌与免疫系统的相互作用。例如，用IFN-I拮抗剂B18R编码的非致病性大肠杆菌通过有效保护水疱性体细胞病毒 (VSV) 免受免疫介导的清除来增强瘤内复制。当用作单一疗法时，这两种微生物都没有任何显着的抗肿瘤功效，但将两者结合使用可改善小鼠癌症模型的抗肿瘤反应和生存结果。同样，细菌可以很好地与CAR-T细胞疗法相结合。羊布鲁氏菌作为一种减毒菌株可以促进肿瘤巨噬细胞的促炎性M1极化并增加肿瘤内CD8+T细胞的频率，当它与CAR-T细胞治疗相结合时，小鼠结肠肿瘤被消除，宿主存活率显着提高。总之，在上述两种生命或非生命系统的联合中，每种单一疗法都可以补充另一种疗法的局限性，从而整体改善结果。

图2. 工程化细菌与瘤外材料和技术联合增强抗癌治疗

细菌是一个多功能平台，可以设计为单一药物或与其他方式结合以改善肿瘤检测和治疗。细菌本身具有免疫刺激性，能够将免疫反应导向肿瘤。它们可以进一步设计以在细胞外和细胞内产生各种有效载荷。尽管细菌癌症疗法的进展取得了实质性进展，但在临床转化过程中仍需要评估生物防护和安全问题。随着这些用于癌症治疗的细菌系统继续进入临床试验，它们的结果将指导未来的工程方法来提高细菌治疗的有效性。除了作为单一药物使用外，细菌疗法还可以与其他细胞疗法或外部疗法结合使用，从而可以在合理设计的双向系统中设计与这些技术的相互作用。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/science.add9667

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