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用近紅外光編程細菌，增強實體瘤治療效果
作者：刁雯蕙 趙梓杉 來源：中國科學報
山東拓普生物工程有限公司  http://qp8008.cn
腫瘤細菌療法是一種以細菌為主體的腫瘤療法。早在1868年，科利醫(yī)生就開始使用活菌來治療肉瘤患者。但是天然菌株的毒性較強，且療效不穩(wěn)定，因此限制了腫瘤細菌療法的廣泛應用。為了克服這些問題，科學家們運用基因工程技術來改造這些菌株，但安全性和治療效果之間的平衡仍然是一個難題。
近年來，合成生物學技術的快速發(fā)展為腫瘤細菌療法提供了新的契機。利用這種技術，研究人員可以對細菌進行基因線路的合理設計和功能化改造，以實現對細菌的精確控制。這樣就可以在保證安全性的前提下，提高療效并減少副作用。未來將有越來越多的菌株開始從實驗室走向臨床應用，為腫瘤治療帶來了新的希望。
近日，一項發(fā)表于《國家科學評論》的研究表明，一科研團隊成功將銅綠假單胞菌菌株改造成為具有實體瘤治療功效的工程菌。在治療過程中，該工程菌的全局表型可被近紅外光的輻照程序精確的控制，從而更有效的消融瘤體達到治療效果，具有巨大的潛在應用價值。
該研究由中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所金帆課題組完成，組內助理研究員張榮榮為文章共同第一作者及共同通訊作者，金帆研究員為文章通訊作者。
合成生物學技術提供腫瘤治療新思路
與其他藥物的研發(fā)過程相似，細菌用于腫瘤治療需要一個漫長的周期，而其中的第一個環(huán)節(jié)就是菌種的選擇、改造以及療效測試。在進入宿主體內后，細菌治療腫瘤的過程包括細菌靶向腫瘤組織、定殖以及藥物釋放。
基于合成生物學手段，科學家們能夠利用基因工程改造的微生物或細胞而非傳統的化學小分子或生物制劑，作為新型疾病治療方法的開發(fā)基礎。人工設計的攜帶有合成基因線路的微生物或細胞能夠響應疾病標志物或者外界信號，實現對藥物釋放位置、釋放時間和釋放劑量的控制，已逐漸發(fā)展為人類對抗疾病的強有力武器。
腫瘤治療是一個長期的動態(tài)過程，細菌粘附、定殖與藥物釋放都是細菌治療腫瘤過程中的關鍵步驟，科研團隊認為理想的治療過程也應當對細菌行為進行動態(tài)控制。但是，目前的大多數腫瘤細菌療法通常只專注于某一步驟的優(yōu)化，而忽視對整個治療過程的控制。其次，對于大多數藥物來說，能否在腫瘤內達到足夠的藥物濃度并維持一定時間是腫瘤治療效果的關鍵。
細菌載藥量較小，為了獲得足夠的瘤內藥物濃度，細菌的定殖量就顯得格外重要。在現有的腫瘤細菌療法中，細菌瘤內定殖能力主要依賴于自身，但這種天然的定殖能力能否在不同的腫瘤環(huán)境中維持是存疑的，因此對于定殖能力施加外源控制也是十分必要的。
“基于以上考慮，我們希望利用合成生物學技術對細菌的功能進行全新設計，開發(fā)一種可同時控制粘附、定殖與藥物釋放的新型活菌載體用于腫瘤治療，通過對治療流程的優(yōu)化，實現腫瘤療效的增強”，金帆研究員說道。
光控細菌“浮游-定殖-裂解”三態(tài)切換
作為微觀“機器人工廠”，細菌載體可以根據臨床需求遵循簡單的遺傳規(guī)則或復雜的合成生物工程原則進行重新編程，從而產生和遞送抗癌藥物。受到自然界中細菌生存方式的啟發(fā)，研究團隊為工程菌設計了浮游狀態(tài)和生物被膜狀態(tài)兩種表型以實現對其定殖能力的控制，其中浮游狀態(tài)細菌的定殖能力較弱，能夠減少對正常組織的傷害；而生物被膜狀態(tài)細菌的定殖能力較強，能夠增加其在腫瘤組織內的定殖量。同時，為了實現藥物的釋放，科研團隊引入了裂解表型。通過裂解的方式進行藥物釋放，不受蛋白大小的限制，而且裂解能夠限制細菌數量，提升系統的安全性。
生物被膜的形成與第二信使分子環(huán)二鳥苷酸（即 c-di-GMP）密切相關。當細菌胞內的c-di-GMP 濃度增加時，細菌的定殖能力增加并傾向于形成生物被膜表型。為了控制生物被膜的形成，科研團隊需要通過誘導表達相關基因實現。
光遺傳學是一種能夠靈活操控基因表達的技術。通過光遺傳學工具的使用，研究人員能夠以極高的時空分辨率對生物體的行為進行控制，既可以通過光照強度的改變來調整光敏蛋白的活性，進而完成對下游目的基因表達水平的控制；也可以通過調整光照的空間位置，完成對特定區(qū)域生物體行為的控制。科研團隊通過光敏蛋白 BphS 實現對 c-di-GMP 合成的控制，并通過理論模擬和高通量篩選，成功構建了具有三種表型的工程菌。該工作是首次嘗試將光直接用于細菌多種行為的調控并用于腫瘤治療。
“小”細菌發(fā)揮“大”效益
研究團隊在20天的實驗周期內，通過8次注菌并使用高強度的近紅外光照射，有效抑制了腫瘤生長。隨后，研究團隊通過優(yōu)化光照程序對工程菌的生活方式進行控制，以實現對藥物累積和藥物釋放的持續(xù)控制。
結果顯示，在對小鼠施加兩個循環(huán)周期的的近紅外光光照程序后，小鼠腫瘤生長受到了抑制，而對照組無法抑制小鼠腫瘤生長。隨后，研究團隊測進行了更長周期的實驗，結果表明，所有小鼠的腫瘤生長均受到了抑制。值得關注的是，30%小鼠的腫瘤完全消失，而對照組小鼠的腫瘤則持續(xù)生長。以上結果表明，編程細菌生活方式在腫瘤的長期治療過程中具有顯著優(yōu)勢，能夠在較少的注菌次數下獲得更好的腫瘤抑制效果。
使用活體腫瘤定向細菌進行治療提供了一種獨特的選擇來應對腫瘤治療中的挑戰(zhàn)，被稱為細菌介導的癌癥治療（BMCT）。迄今為止，幾乎所有關于BMCT的研究都集中在更新抗癌治療和控制釋放策略方面。然而，人們忽視了細菌本身在BMCT中的重要作用。在臨床試驗中，細菌定殖密度較少，異質性較大，故治療效果不佳。因此，科研團隊在該研究中嘗試控制未曾被利用的腫瘤內細菌活動。合理地開發(fā)了一個遺傳回路，以動態(tài)編程細菌生活方式，通過近紅外光的照明功率密度的分層調節(jié)，精確地操縱細菌粘附、定殖和藥物釋放過程。
近紅外光編程細菌生活方式是一種新興的生物技術，利用近紅外光的能量，通過光敏感基因和分子開關等技術手段，來控制和調節(jié)細菌的生長和行為。這種技術可以讓人們通過光的刺激，實現對細菌的遠程控制，從而改變細菌在體內的生活方式和行為，進而強化對實體瘤的治療效果。
期刊審稿人表示：“該工作具有極高的創(chuàng)新性且總體設計思路非常精妙，將對腫瘤細菌療法領域產生巨大的影響。”
相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad031
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