模塊化設(shè)計(jì)的磁控工程細(xì)菌實(shí)現(xiàn)腫瘤精準(zhǔn)免疫治療

細(xì)菌療法已成為腫瘤免疫治療的未來發(fā)展方向之一。包括嵌合抗原受體T細(xì)胞免疫療法（CAR-T）和溶瘤病毒在內(nèi)的人工生物系統(tǒng)療法已取得顯著的臨床治療效果，多款產(chǎn)品已獲批上市。作為人工生物系統(tǒng)療法的重要組成部分，腫瘤細(xì)菌療法的多項(xiàng)II期和III期臨床試驗(yàn)正在開展當(dāng)中，有望取得下一代突破性臨床進(jìn)展。傳統(tǒng)的第一代細(xì)菌療法利用天然細(xì)菌發(fā)揮抗腫瘤作用，如FDA批準(zhǔn)的治療膀胱癌的卡介苗（BCG），雖然具有較好的治療效果，但是細(xì)菌的毒性阻礙細(xì)菌療法的進(jìn)一步應(yīng)用。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，第二代細(xì)菌療法通過基因工程改造增強(qiáng)細(xì)菌的抗腫瘤功能、或者敲除毒力因子獲得減毒細(xì)菌，極大提高其治療效果和安全性。隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，借助功能化的納米材料輔助細(xì)菌療法，構(gòu)建“細(xì)菌-納米材料雜合系統(tǒng)”，已發(fā)展成為更加安全、強(qiáng)效、智能的第三代細(xì)菌療法。腫瘤靶向菌基因表達(dá)的精準(zhǔn)控制是細(xì)菌療法安全性和有效性的基礎(chǔ)，然而目前仍缺少有效的精準(zhǔn)操縱手段。

近期，國家納米科學(xué)中心聶廣軍/趙瀟課題組在Nature Communications上發(fā)表題為“Modular-designed engineered bacteria for precision tumorimmunotherapy via spatiotemporal manipulation by magnetic field”的研究。該研究借助磁性納米材料的磁熱效應(yīng)，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)交變磁場對體內(nèi)細(xì)菌基因表達(dá)和藥物釋放行為的時(shí)間-空間精準(zhǔn)操縱。

通過這種交變磁場介導(dǎo)的基因操縱系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向菌在腫瘤部位的裂解，以及CD47阻斷藥物的精準(zhǔn)可控釋放，有效降低CD47的血液毒性；同時(shí)，細(xì)菌裂解物通過I型干擾素通路能夠顯著增強(qiáng)CD47阻斷藥物的療效，最終實(shí)現(xiàn)腫瘤的精準(zhǔn)免疫治療。

腫瘤細(xì)胞表面高表達(dá)的CD47蛋白作為“別吃我”信號，可以幫助腫瘤細(xì)胞逃逸巨噬細(xì)胞的清除，以CD47抗體為代表的吞噬檢查點(diǎn)藥物展示出較好的抗腫瘤治療效果。然而，CD47廣泛表達(dá)于幾乎所有的正常組織細(xì)胞，是細(xì)胞表面一個(gè)重要的“自我”標(biāo)記，尤其是自體免疫細(xì)胞識別紅細(xì)胞的重要標(biāo)志物，CD47抗體的全身給藥容易導(dǎo)致較為嚴(yán)重的血液毒性。該研究借助磁場操縱的腫瘤靶向菌實(shí)現(xiàn)CD47阻斷藥物在腫瘤的特異性釋放，有效避免其血液毒性。

細(xì)菌療法通過基因改造的腫瘤靶向菌分泌的治療性藥物發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)。靜脈注射后，雖然腫瘤靶向菌主要定植在腫瘤部分，在正常的組織器官無法長期存活，但是仍可能有少量細(xì)菌定植在特定的正常組織器官，例如，肝臟、脾臟、缺氧干細(xì)胞龕等。因此，腫瘤靶向菌的基因表達(dá)和藥物釋放行為需要時(shí)空精準(zhǔn)控制，防止藥物在正常組織器官的釋放以引起嚴(yán)重的副作用。該研究借助交變磁場實(shí)現(xiàn)藥物的時(shí)空精準(zhǔn)釋放，通過控制磁場的施放時(shí)間和強(qiáng)度，這種時(shí)空精準(zhǔn)控制可以及時(shí)調(diào)整給藥劑量和時(shí)間間隔。例如，在治療效果較差時(shí)增加給藥次數(shù)、縮短給藥間隔；或在副作用較高時(shí)及時(shí)降低給藥劑量。

傳統(tǒng)基因工程改造菌的誘導(dǎo)型啟動子是控制細(xì)菌基因表達(dá)最常用的策略，然而無論是利用腫瘤微環(huán)境敏感型啟動子（如缺氧、微酸響應(yīng)型啟動子），還是外源誘導(dǎo)劑響應(yīng)型啟動子（如阿拉伯糖響應(yīng)型啟動子），很難實(shí)現(xiàn)對體內(nèi)細(xì)菌基因表達(dá)的精準(zhǔn)操縱。近年來，近紅外光已被用于基因表達(dá)操縱，然而有限的組織穿透能力限制了深部腫瘤的應(yīng)用。作為理想的操縱手段，磁場具有優(yōu)良的腫瘤組織穿透能力、安全性和非侵入性，但是借助傳統(tǒng)的基因工程技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)磁場對細(xì)菌基因表達(dá)的操縱。

因此，研究人員提出利用磁性Fe?O?納米材料在交變磁場中的磁熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向菌基因表達(dá)的時(shí)空操縱。首先，利用基因工程和納米技術(shù)對工程菌進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和制造（圖1A），這種模塊化設(shè)計(jì)可以方便后續(xù)的功能評價(jià)和性能優(yōu)化。與工業(yè)機(jī)器人類似，磁控工程菌系統(tǒng)由五個(gè)功能模塊組成，其中包括“主動導(dǎo)航”、“信號解碼”、“信號反饋”、“信號處理”和“信號輸出”五個(gè)模塊。

“主動導(dǎo)航”模塊對應(yīng)工程菌的腫瘤靶向單元，借助ClyA蛋白展示系統(tǒng)將靶向分子HlpA展示在細(xì)菌外膜表面，靶向腫瘤細(xì)胞高表達(dá)的硫酸乙酰肝素糖蛋白（HSPG）；“信號解碼”模塊對應(yīng)磁熱轉(zhuǎn)化單元，修飾在腫瘤靶向菌表面的順磁性Fe?O?納米顆粒能夠接收磁場信號并將其轉(zhuǎn)化為42℃的熱量；

“信號反饋”模塊對應(yīng)熱敏熒光成像，磁熱導(dǎo)致熒光分子Cy5和淬滅伴侶分子BHQ3的共釋放，實(shí)現(xiàn)磁熱激活的熒光活體成像監(jiān)測；“信號處理和輸出”模塊對應(yīng)蛋白表達(dá)和藥物釋放，在熱敏啟動子的控制下，磁熱激活工程菌質(zhì)粒中裂解蛋白的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)工程菌的裂解和藥物蛋白（抗CD47納米抗體）的釋放（圖1B）。

圖1 磁場精準(zhǔn)操縱的腫瘤靶向菌的模塊化結(jié)構(gòu)、工作原理和構(gòu)建流程（圖源：Nature communications)

該工作發(fā)現(xiàn)并闡明磁控工程菌裂解物的強(qiáng)大免疫原性能夠有效激活抗原提呈細(xì)胞（APC）的I型干擾素通路，增強(qiáng)APC的抗原提呈能力。與此同時(shí)，磁控釋放的CD47納米抗體能夠增加APC對腫瘤抗原的攝取，因此，工程菌裂解物與CD47阻斷療法能夠產(chǎn)生顯著的協(xié)同抗腫瘤效應(yīng)，將CD47“別吃我”信號介導(dǎo)的天然免疫強(qiáng)化為CD8+ T細(xì)胞介導(dǎo)的適應(yīng)性抗腫瘤免疫反應(yīng)，對原位結(jié)腸腫瘤以及遠(yuǎn)端腫瘤產(chǎn)生強(qiáng)大的抗腫瘤作用（圖2）。

圖2 磁控工程菌激活I(lǐng)型干擾素途徑和CD8+ T細(xì)胞介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫（圖源：Nature communications)

目前的多項(xiàng)臨床試驗(yàn)結(jié)果表明，腫瘤靶向菌只能在部分患者的腫瘤內(nèi)部定植，如何提高定植率成為限制細(xì)菌療法的關(guān)鍵科學(xué)問題。相比于腫瘤靶向菌基因表達(dá)操縱的其他手段，該研究開發(fā)的磁控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)恒定磁場對細(xì)菌運(yùn)動方向的控制，顯著增加細(xì)菌的腫瘤靶向定植數(shù)量，展示出磁場操縱的顯著優(yōu)勢（圖3）。該研究表明，恒定磁場和交變磁場可以貫序結(jié)合使用。給藥后，先借助恒定磁場提高工程菌在腫瘤的定植數(shù)量，再借助交變磁場操縱工程菌的基因表達(dá)和藥物釋放，這種貫序結(jié)合能夠顯著提高治療效果，對400 mm3以上的大腫瘤也可以發(fā)揮較好的治療效果。

圖3 恒定磁場控制工程菌運(yùn)動方向以提高腫瘤定植數(shù)量（圖源：Nature communications)

綜上所述，該研究將磁熱效應(yīng)用于腫瘤靶向菌基因表達(dá)的精準(zhǔn)操縱，這種操縱方法的突出優(yōu)勢不僅在于磁場的安全性和深層組織穿透性，更在于恒定磁場和交變磁場的貫序使用，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動行為操縱和基因表達(dá)操縱的有機(jī)結(jié)合。對當(dāng)前材料的某些升級可以改善其性能，例如，載荷的抗CD47納米抗體也可以被其他免疫治療藥物取代從而實(shí)現(xiàn)不同的治療目的（如免疫檢查點(diǎn)抑制劑PD-L1和CTLA-4），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其他藥物的腫瘤靶向遞送、增強(qiáng)療效并降低毒性。細(xì)菌裂解物可以增加免疫細(xì)胞浸潤，將“冷腫瘤”轉(zhuǎn)化為“熱腫瘤”，并激活I(lǐng)類干擾素信號通路，因此，細(xì)菌裂解物引起的免疫反應(yīng)可能與這些免疫藥物協(xié)同，進(jìn)一步增強(qiáng)其療效。這種細(xì)菌-納米材料雜合系統(tǒng)為腫瘤免疫治療策略提供了提供了新的機(jī)遇，同時(shí)也將推動細(xì)菌療法用于癌癥治療的進(jìn)一步探索。

審核編輯：劉清