Nature：利用细菌治疗癌症

　　

生物通报道  来自加州大学圣地亚哥分校和麻省理工学院(MIT)的研究人员提出了一种将合成生物学用于治疗的新策略。这种方法使得能够在小鼠的病灶部位持续地生成及释放药物，同时限制了随时间推移生成这些药物的工程菌群的大小。这些研究结果发布在7月20日的《自然》（Nature）杂志上。

加州大学圣地亚哥分校生物工程学和生物学教授Jeff Hasty领导研究人员，改造了一种临床相关的细菌在肿瘤位点生成癌症药物，然后自毁并释放出这些药物。该研究小组随后将这种细菌疗法转交给MIT的合作者们在大肠癌转移动物模型中进行了测试。新研究提供了一种治疗方法将对周围细胞的损伤减到最小。

Hasty说：“在合成生物学中，靶向疾病位点，将损伤减至最小是治疗的一个目标。”Hasty想知道，能否设计出一个遗传“杀伤”回路来控制体内的菌群，由此将细菌的生长减至最少。“我们还想将一种有效的治疗载荷传递至病灶位点。”

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为了实现这一点，Hasty和他的研究小组让细菌在细菌克隆于肿瘤环境内自毁时同步爆发性释放出已知的抗癌药物。利用细菌在体内传递癌症药物令人感到兴奋，因为传统的化疗并不总能达到肿瘤内部区域，而细菌可以移居于那里。重要地是，研究人员观察到组合化疗和细菌回路生成的基因产物一致地减小了肿瘤的大小。

限制菌群

为了观察菌群动态，研究人员设计出了定制的微流体装置在开展动物疾病模型研究之前完成仔细地测试。与工程设计一致，他们观察到了成功限制整体生长，同时促成了编码货物生成和释放的菌群周期。当给细菌装配上一个驱动治疗剂生成的基因时，研究证实细菌克隆同步裂解杀死了人类癌细胞。这是合成生物中首个工程遗传回路实现了这些目标。

论文的主要作者、加州大学圣地亚哥Jacobs工程和生物工程学院博士生、Hasty研究小组的Omar Din说：“在这篇文章中我们描述了一个遗传回路，其包含的一个基因编码了可在细胞间扩散，开启一些基因的一种小分子。一旦菌群生长至临界大小：几千个细胞，细胞中的这一小分子可达到足够高的浓度来引起该启动子后面的基因大规模转录。”

这一分子AHL已知协调了整个细菌克隆的基因表达。一旦开启，该启动子驱动的一些基因也会被激活，包括生成AHL的基因自身。由于这一正反馈，越多AHL积累，生成的AHL越多。由于AHL小到可以在细胞间扩散，打开邻细胞中的启动子，它激活的基因也会大量地生成，导致一种叫做群体感应的现象。细菌利用群体感应来彼此沟通群体的大小，相应调控基因表达。科学家们已广泛利用了细菌的这种自然能力来作为一种工具。

Din利用群体感应作为一种工程工具同步了这些细菌细胞，随后添加了当细菌克隆生长至阈值时引起细胞裂解的一种杀伤基因。在这一大规模的自毁事件后，少数细胞仍然重新定居于克隆，因此菌群的动态是周期性的

寻找合适的药物组合

接下来，研究人员需要寻找细菌传递的合适药物。他们测试了已证实缩小肿瘤的三种不同的治疗蛋白。测试结果显示当组合它们时最有效。研究人员将编码这些蛋白的基因与裂解基因一起置于这一回路中。随后他们在HeLa细胞中完成了实验证实生成了足够的蛋白来杀死癌细胞。

研究人员首先将细菌注入到皮下移植肿瘤的小鼠体内。利用这一小鼠模型来显像体内的菌群，观察它们的动态。结果肿瘤体积缩小了。加州大学圣地亚哥分校生物工程学生Tal Danin随后采用了一种更先进的肝转移小鼠模型，将细菌喂给这些小鼠。在利用这一模型测试工程细菌与化疗的组合后，研究人员发现联合治疗相比仅给予任一种治疗延长了小鼠的生存期。研究人员注意到这种新方法并没有治愈任何小鼠。但他们确实发现这种疗法将预期寿命延长了50%，但很难预料如何将其转化至人类。总而言之，这些小鼠实验建立了原理证明：使用合成生物学工具来改造“肿瘤靶向性”细菌在体内传递治疗蛋白。

开发一种策略

这篇Nature新文章显示了利用群体感应来限制菌群生长及释放药物。在以往的4篇Nature文章中，Hasty实验室展示了如何协调一个细菌克隆内部及甚至成千上万互作克隆间的工程细胞振荡。

约翰霍普金斯大学Ludwig中心主任、癌症基因组领域先驱Bert Vogelstein说：“这篇论文描述了一种高度创新的策略利用合成生物学来武装细菌。作者们证实可以利用这些细菌来减慢小鼠体内的肿瘤生长。尽管还需要进一步地研究来使得这种治疗适用于人类，如果我们要更有效地对抗癌症，这是我们迫切需要的一种新的、前瞻性的方法。”

下一步包括调查自然存在于肿瘤中的细菌，然后改造这些细菌在体内使用，利用多种菌株来形成一个治疗团体。

Din说：“此外，我们当前正在调查维持细菌内这种回路的一些方法。由于这一回路生成的蛋白给细菌造成了负担，细菌容易让这些基因突变。此外，选择压力会除去包含这些基因的质粒破坏这一回路。因此，我们未来的研究目标是找到一些策略来稳定细菌中的这些回路元件，减少它们对突变的敏感性。”

众所周知，癌症是很难治疗的，因此临床医生和研究人员一直在寻求替代的治疗方法。细菌是否能提供一种解决方案呢？根据美国疾病控制和预防中心资料显示，结直肠癌是美国第三大最常见的癌症，它也恰好是一种很难治疗的癌症，因为传统的化疗和放疗，在胃肠道氧气匮乏的环境中都不起作用。但是，新加坡南洋理工大学的研究员Teoh Swee Hin找到了这些癌症的另一种治疗选择——细菌疗法。相关研究结果发表在2015年的《Scientific Reports》上（死细菌居然能治疗癌症！）。

通过将一种特殊的细菌导入到黑色素瘤小鼠的消化道中，芝加哥大学的研究人员提高了小鼠免疫系统攻击肿瘤细胞的能力。这一效益与采用抗PD-L1抗体一类的检查点抑制剂进行治疗相差无几。研究人员在2015年11月的Science杂志上报告称，联合给予口服剂量的细菌及注射抗PD-L1抗体几乎完全消除了肿瘤生长物（两篇Science文章：利用细菌治疗癌症 ）。

敌人的敌人可能是你的朋友。2014年8月美国的研究人员报告称发现，一种生活在土壤中的致病细菌——诺维氏梭菌有可能成为新的抗癌辅助手段。这种微生物不仅让实验狗体内的肿瘤缩小了，对于人类肿瘤似乎也同样具有一定效果（一种致病细菌可让人体肿瘤萎缩 有望成为癌症治疗的辅助手段）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文索引：

"Synchronized cycles of bacterial lysis for in vivo delivery." Authors of the paper are M. Omar Din,* Arthur Prindle, Jangir Selimkhanov, Ellixis Julio, Lev S. Tsimring and Jeff Hasty of UC San Diego; Tal Danino,* Matt Skalak, Kaitlin Allen, Eta Atolia and Sangeeta N. Bhatia of MIT.