在癌癥治療中，將藥物準確遞送到腫瘤位置不僅能夠提升治療效果，也能夠減少很多藥物對正常人體組織的毒性。然而，藥物通常不能有效到達腫瘤組織，而如何實現(xiàn)精準遞送是醫(yī)學(xué)界的一大難題。

溶瘤細菌是一種新興的癌癥治療方法，它利用經(jīng)過基因工程改造的細菌來對抗腫瘤，這些細菌能夠特異性地定位到腫瘤細胞，最終通過裂解釋放治療性藥物或激活免疫系統(tǒng)來攻擊腫瘤細胞。然而，基于基因工程細菌的精準設(shè)計，化學(xué)調(diào)控和光遺傳學(xué)調(diào)控等靶向操控仍存在無法進行實時控制、對深層組織滲透性差和潛在光毒性等問題。近年來，超聲以非侵入性、時空特異性、安全性和組織穿透性為特征優(yōu)勢，在腫瘤的診斷和治療應(yīng)用中引起了極大的關(guān)注，新興的“聲遺傳學(xué)”結(jié)合合成生物學(xué)、遺傳學(xué)和聲波技術(shù)，通過非侵入性的方式使用聲波來控制生物系統(tǒng)中特定基因表達也極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

近日，來自華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的葉海峰團隊發(fā)表在 Cell Reports Medicine 上的一項研究通過基因工程技術(shù)設(shè)計構(gòu)建了一套基因表達系統(tǒng)（SINGER），并將其表達到減毒沙門氏菌 VNP20009 內(nèi)，通過用超聲波從外部加以控制基因工程細菌來表達和釋放功能蛋白，可實現(xiàn)精準殺傷腫瘤細胞的效果。此外，研究人員還探索了聯(lián)合使用 Azurin 和免疫檢查點抑制劑 PD-L1 nb 的治療策略，不僅引發(fā)了腫瘤細胞的凋亡，還激活了身體的免疫系統(tǒng)，從而達到了雙重抗癌效果。

研究內(nèi)容和結(jié)果

在異種移植小鼠腫瘤模型中，超聲觸發(fā)基于細菌的腫瘤治療示意圖

SINGER 系統(tǒng)是一種超聲激活的集成基因回路，它能夠在超聲波介導(dǎo)的溫度刺激下精確控制基因的表達。在研究中，SINGER 系統(tǒng)通過溫度依賴的 TlpA39 轉(zhuǎn)錄抑制子來實現(xiàn)對基因表達的控制。在低于 39°C 時，TlpA39 二聚體結(jié)合到合成的啟動子 PTlpA 上，阻止下游基因轉(zhuǎn)錄；當溫度升高到 39°C 時，TlpA39 蛋白解聚從 PTlpA 上解離，從而允許目標基因的表達。通過調(diào)整超聲波的強度和刺激時間，實現(xiàn)對溫度的調(diào)控，進而能夠精確控制基因表達的時間和水平，實現(xiàn)對治療蛋白質(zhì)表達的精確控制。

基于沙門氏菌 VNP20009 SINGER 系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化

SINGER 系統(tǒng)被激活后會釋放 azurin 和 PD-L1 納米抗體（PD-L1 nb）。azurin 是一種從銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中分離出的天青蛋白，能夠進入癌細胞并誘導(dǎo)其凋亡。它能夠與癌細胞表面的特定分子相互作用，進而干擾癌細胞內(nèi)部的信號傳導(dǎo)路徑。當前，azurin 主要處于基礎(chǔ)研究和臨床前試驗階段，尚未成為標準的臨床治療方法。PD-L1 nb 是一種靶向程序性死亡配體1（PD-L1）的小型抗體片段，PD-L1 是許多腫瘤細胞表面表達的一種蛋白質(zhì)，它通過與免疫系統(tǒng)中T細胞上的 PD-1 受體結(jié)合，可以使腫瘤細胞“隱身”逃避免疫系統(tǒng)的攻擊。通過阻斷 PD-L1 與 PD-1 之間的相互作用，PD-L1 nb 能夠重新激活 T 細胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，從而幫助免疫系統(tǒng)識別并消滅腫瘤細胞。PD-L1 抑制劑已經(jīng)被廣泛用于臨床治療多種類型的癌癥，尤其是在免疫療法領(lǐng)域，表現(xiàn)出了顯著的治療效果。

超聲調(diào)控工程細菌的開發(fā)和在腫瘤治療中應(yīng)用

在多種小鼠腫瘤模型中，該超聲控基因工程細菌展現(xiàn)了抗腫瘤效果。無論是通過瘤內(nèi)直接注射或靜脈注射，基因工程細菌均精確定位到腫瘤區(qū)域，并在超聲波誘導(dǎo)下釋放強效抗癌蛋白，直接殺傷腫瘤細胞。此外，這種基于超聲控基因工程細菌療法在動物模型中也表現(xiàn)出良好的安全性。

未來展望

近年來，細菌介導(dǎo)的癌癥免疫療法以其獨特的優(yōu)勢正引起人們的關(guān)注。該類細菌優(yōu)先在腫瘤的缺氧區(qū)定植，通過重塑腫瘤免疫微環(huán)境、激活抗腫瘤免疫等多種機制殺傷腫瘤細胞。在此基礎(chǔ)上，通過遺傳工程技術(shù)構(gòu)建重組抗腫瘤菌株，靶向腫瘤并在腫瘤核心區(qū)分泌治療性蛋白或核酸藥物，或與其他抗癌療法聯(lián)用，有望成為種新的癌癥治療策略。

本項研究建立了一個基于超聲的聲遺傳學(xué)平臺，可以遠程和無創(chuàng)地控制工程細菌的基因表達，超聲控制的工程細菌可以定向在腫瘤的缺氧和免疫特權(quán)核心位置局部表達和分泌治療蛋白，而不會引起非特異性的腫瘤外毒性，在動物模型中表現(xiàn)出良好的抗腫瘤效果和安全性。此外，該研究還探索了細菌遞送的 azurin 和 PD-L1-nb 的治療組合的雙重策略，不僅增強了對腫瘤生長的抑制，而且提供了一種更有效、更全面的腫瘤免疫治療方法。

基于超聲波控制的基因工程細菌療法聲遺傳學(xué)作為一種新興的治療手段，在腫瘤的精準治療中也具有較大的潛力，同時也仍面臨著較多的挑戰(zhàn)：

如何向深部或轉(zhuǎn)移性腫瘤更精確遞送；繼續(xù)優(yōu)化細菌載體的安全性和生物兼容性，確保工程細菌在體內(nèi)能夠有效生存并長期保持其功能性；提高聲波穿透深度和精確度，以精準調(diào)節(jié)其強度和可控性；針對特定治療優(yōu)化超聲設(shè)備的設(shè)計和使用方式，開發(fā)便攜式的聲波設(shè)備，以推進這項技術(shù)在個性化、非侵入性治療中的廣泛應(yīng)用。

相信隨著研究的深入和相關(guān)技術(shù)的完善，可遠程超聲控制的基因工程細菌藥物有望成為抗擊腫瘤的有力武器，為患者提供更精準、更安全的治療選擇。

參考文獻：

[1]  Gao T, Niu L, Wu X, Dai D, Zhou Y, Liu M, Wu K, Yu Y, Guan N, Ye H. Sonogenetics-controlled synthetic designer cells for cancer therapy in tumor mouse models. Cell Rep Med. 2024 Apr 5:101513. doi: 10.1016/j.xcrm.2024.101513. Epub ahead of print. PMID: 38608697.