把细菌改造成药物运输车 摧毁肿瘤

癌症免疫疗法的起源可以追溯到19世纪80年代美国医师威廉·科利(WilliamColey)的开创性工作，WilliamColey发现肉瘤患者在患丹毒后肿瘤消退，推测存在某些病原微生物激发了机体的抗肿瘤活性，随后应用化脓性链球菌以及黏质沙雷菌滤液治疗一些肿瘤患者并取得一定疗效，该临床应用标志着肿瘤免疫治疗的开端。

虽然该方法由于患者响应不一致而备受争议，但是将细菌引入肿瘤产生免疫反应仍然是一个强有力的想法。细菌提供佐剂（如细胞壁成分脂多糖和肽聚糖等物质）激活固有免疫受体，识别微生物中常见的分子模式。死亡的肿瘤细胞释放的抗原被活化的树突状细胞吸收，然后迁移到引流淋巴结，使细胞毒性T细胞活化，寻找并摧毁肿瘤细胞，激活适应性免疫。

合成生物学通过对活细胞的基因改造，正在推动医学的一个新时代的发展。一个特别值得关注的领域是将细菌作为治疗递送系统，在体内选择性释放治疗药物。

2019年7月3日，哥伦比亚大学的NicholasArpaia教授和TalDanino教授团队在顶级医学期刊NatureMedicine杂志上发表了题为：Programmablebacteriainducedurabletumorregressionandsystemicantitumorimmunity的研究论文。

该研究报道了一种使用群体感应细菌治疗癌症的策略，这种策略利用细菌传递纳米体的单链抗体片段，该单链抗体可以靶向吞噬细胞的抑制配体CD47，从而导致小鼠全身抗肿瘤免疫诱导的肿瘤快速消退。

CD47是癌细胞表面的一类“别吃我”信号，它通过与巨噬细胞表面的SIRP-α相互结合抑制巨噬细胞的吞噬作用。CD47广泛地表达于各类癌细胞表面，因此以CD47为靶点，可以用于治疗各种类型的癌症。近年来的研究表明，阻断CD47不仅能增加对肿瘤细胞的吞噬作用，而且能促进肿瘤抗原的交叉表达，增强小鼠肿瘤模型中抗肿瘤效应T细胞的启动。

然而，在临床前模型和人体试验中均显示，系统性CD47阻断可导致贫血和血小板减少，因为CD47分别在红细胞和血小板上表达较高。为了提高其治疗效果，最近开发了一种针对CD47的纳米体，其结合亲和力比市场上可用的抗小鼠CD47单克隆抗体高约200倍。由于缺乏Fc介导的效应功能，该纳米体作为单一疗法效果并不明显;然而，当联合使用肿瘤特异性抗体和全身免疫检查点阻断剂时，效果便很显著。

该研究团队使用合成生物学来构建大肠杆菌中的“群体感应”基因电路，它包含一个同步裂解回路(eSLC)，可以在肿瘤上定植并在肿瘤内群体裂解，从而在局部释放编码的CD47纳米体拮抗剂(eSLC-CD47nb)。研究发现，肿瘤定植细菌传递CD47nb可增加肿瘤浸润性T细胞的活化，刺激肿瘤快速消退，防止转移。

此外，研究人员评估了eSLC-CD47nb诱导骨髓衍生的巨噬细胞（BMDM）对A20肿瘤细胞的吞噬作用的能力。与预期一致，用抗CD47单克隆抗体处理导致吞噬作用增加60％，仅用eSLC裂解物处理导致肿瘤细胞的吞噬作用增加50％。值得注意的是，与基线相比，eSLC-CD47nb裂解液处理导致吞噬率增加90%，表明eSLC-CD47nb通过CD47阻断和TLR激动作用(由于细菌裂解佐剂)以一种组合的、剂量依赖的方式增强巨噬细胞对肿瘤细胞的吞噬作用。总之，这些结果表明eSLC-CD47nb以裂解依赖性方式释放CD47nb，并且CD47nb可在体外通过BMDM诱导肿瘤细胞的吞噬作用。

接下来，研究人员评估了eSLC-CD47nb细菌在同系小鼠模型中的临床功效。双侧均有A20肿瘤的BALB/c小鼠，分别接受肿瘤内注射PBS、eSLC菌或eSLC-CD47nb菌。虽然仅给予eSLC的对照组最初减缓了肿瘤的生长，这可能是由于细胞群溶解后释放的细菌产物激活了固有免疫细胞，但最终的肿瘤体积与PBS处理的小鼠并无统计学差异。相反，使用eSLC-CD47nb可在治疗开始后约10天内快速、持久地清除A20肿瘤。并且，在治疗后30天用eSLC-CD47nb治疗的小鼠中很少观察到肝转移。值得注意的是，用eSLC-CD47nb治疗的大约80％的小鼠存活超过90天，并且存活的小鼠对再注射A20肿瘤细胞具有抗性。

随后，研究人员探讨了群体溶解系统的各个组分的治疗性递送的重要性。首先，他们评估了单独腹腔注射miap301和腹腔注射miap301的同时也瘤内注射eSLC对CD47的阻断效果。与小鼠A20肿瘤模型中单独的eSLC治疗相比，两组均未显示出明显的功效。虽然用重组CD47nb或超声处理的eSLC-CD47nb细菌裂解物进行瘤内处理的小鼠与用eSLC处理的小鼠相比表现出较慢的肿瘤生长，但是只有在用表达eSLC-CD47nb的活细菌处理后才能观察到完全肿瘤消退。因此这些数据表明，SLC介导的CD47nb在肿瘤内持续释放对治疗功效至关重要。

为了评估该方法的更广泛的适用性，研究人员还在其他同系小鼠模型中，通过静脉注射eSLC-CD47nb检测了其治疗功效。研究人员在携带三阴性乳腺癌细胞（4T1）和黑素瘤细胞（B16-F10）的小鼠肿瘤模型中观察到了显着的治疗效果。

研究人员还探索了eSLC-CD47nb通过全身静脉输送安全靶向和治疗肿瘤的能力。与接受全身递送的抗CD47抗体（miap301）的小鼠相比，静脉内注射eSLC-CD47nb的小鼠显示出显着更慢的肿瘤生长。在治疗之后，与肝，脾和肾相比，细菌专门定位于肿瘤。动物对细菌疗法具有良好的耐受性，在肿瘤内和静脉内递送后的整个观察期间观察到的治疗组之间体重没有显着差异。

总体而言，这些结果表明，eSLC-CD47nb可以安全地促进局部肿瘤消退，同时还可以预防转移，这表明全身性抗肿瘤免疫的诱导可能是由肿瘤特异性T细胞介导的。

对于这一重要研究，NatureMedicine给予了高度评价：Programmablebacteriaascancertherapy（工程细菌用于癌症治疗）

成功诱导T细胞反应需要同时存在抗原和佐剂。微生物为诱导抗肿瘤免疫提供了一种方便的方法。溶瘤病毒是利用微生物作为癌症治疗的首批成功尝试之一，2015年，在转移性黑色素瘤内注射以疱疹病毒为基础的T-VEC(talimogenelaherparepvec)疗法获得了美国食品药物监督管理局(FDA)的批准。

细菌提供了一种正交的方法，这里描述的群体感应细菌实现了三个主要的工程成就。

首先，这些细菌提供了丰富的佐剂，并能在肿瘤中持续高水平存在长达一周。

其次，局部给药和群体溶解可防止败血症和治疗药物泄漏进入血液循环，从而减少药物的全身暴露，从而避免导致限制治疗毒性和产生抗药物抗体。

最后，细菌具有巨大的基因载体能力并且可以被随意修改。

总而言之，从局部产生中获益的其他基于蛋白质的疗法包括细胞因子和趋化因子，它们在局部发挥作用，每个分子的效力比阻断抗体更高。21世纪的分子生物学工具已经将科利毒素（Coley’sToxins）转化为可编程的药物递送平台。