在癌癥治療中，將藥物準(zhǔn)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(duì)正常人體組織的毒性。然而，藥物通常不能有效到達(dá)腫瘤組織，而如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)遞送是醫(yī)學(xué)界的一大難題。

溶瘤細(xì)菌是一種新興的癌癥治療方法，它利用經(jīng)過(guò)基因工程改造的細(xì)菌來(lái)對(duì)抗腫瘤，這些細(xì)菌能夠特異性地定位到腫瘤細(xì)胞，最終通過(guò)裂解釋放治療性藥物或激活免疫系統(tǒng)來(lái)攻擊腫瘤細(xì)胞。然而，基于基因工程細(xì)菌的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，化學(xué)調(diào)控和光遺傳學(xué)調(diào)控等靶向操控仍存在無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、對(duì)深層組織滲透性差和潛在光毒性等問(wèn)題。近年來(lái)，超聲以非侵入性、時(shí)空特異性、安全性和組織穿透性為特征優(yōu)勢(shì)，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(guò)非侵入性的方式使用聲波來(lái)控制生物系統(tǒng)中特定基因表達(dá)也極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

近日，來(lái)自華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的葉海峰團(tuán)隊(duì)發(fā)表在 Cell Reports Medicine 上的一項(xiàng)研究通過(guò)基因工程技術(shù)設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套基因表達(dá)系統(tǒng)（SINGER），并將其表達(dá)到減毒沙門氏菌 VNP20009 內(nèi)，通過(guò)用超聲波從外部加以控制基因工程細(xì)菌來(lái)表達(dá)和釋放功能蛋白，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)殺傷腫瘤細(xì)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(diǎn)抑制劑 PD-L1 nb 的治療策略，不僅引發(fā)了腫瘤細(xì)胞的凋亡，還激活了身體的免疫系統(tǒng)，從而達(dá)到了雙重抗癌效果。

研究?jī)?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(xì)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(dá)。在研究中，SINGER 系統(tǒng)通過(guò)溫度依賴的 TlpA39 轉(zhuǎn)錄抑制子來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的控制。在低于 39°C 時(shí)，TlpA39 二聚體結(jié)合到合成的啟動(dòng)子 PTlpA 上，阻止下游基因轉(zhuǎn)錄；當(dāng)溫度升高到 39°C 時(shí)，TlpA39 蛋白解聚從 PTlpA 上解離，從而允許目標(biāo)基因的表達(dá)。通過(guò)調(diào)整超聲波的強(qiáng)度和刺激時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)控，進(jìn)而能夠精確控制基因表達(dá)的時(shí)間和水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)治療蛋白質(zhì)表達(dá)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(huì)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(jìn)入癌細(xì)胞并誘導(dǎo)其凋亡。它能夠與癌細(xì)胞表面的特定分子相互作用，進(jìn)而干擾癌細(xì)胞內(nèi)部的信號(hào)傳導(dǎo)路徑。當(dāng)前，azurin 主要處于基礎(chǔ)研究和臨床前試驗(yàn)階段，尚未成為標(biāo)準(zhǔn)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(xì)胞表面表達(dá)的一種蛋白質(zhì)，它通過(guò)與免疫系統(tǒng)中T細(xì)胞上的 PD-1 受體結(jié)合，可以使腫瘤細(xì)胞“隱身”逃避免疫系統(tǒng)的攻擊。通過(guò)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(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，從而幫助免疫系統(tǒng)識(shí)別并消滅腫瘤細(xì)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(xì)菌的開(kāi)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(xì)菌展現(xiàn)了抗腫瘤效果。無(wú)論是通過(guò)瘤內(nèi)直接注射或靜脈注射，基因工程細(xì)菌均精確定位到腫瘤區(qū)域，并在超聲波誘導(dǎo)下釋放強(qiáng)效抗癌蛋白，直接殺傷腫瘤細(xì)胞。此外，這種基于超聲控基因工程細(xì)菌療法在動(dòng)物模型中也表現(xiàn)出良好的安全性。

未來(lái)展望

近年來(lái)，細(xì)菌介導(dǎo)的癌癥免疫療法以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)正引起人們的關(guān)注。該類細(xì)菌優(yōu)先在腫瘤的缺氧區(qū)定植，通過(guò)重塑腫瘤免疫微環(huán)境、激活抗腫瘤免疫等多種機(jī)制殺傷腫瘤細(xì)胞。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)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(xiàng)研究建立了一個(gè)基于超聲的聲遺傳學(xué)平臺(tái)，可以遠(yuǎn)程和無(wú)創(chuàng)地控制工程細(xì)菌的基因表達(dá)，超聲控制的工程細(xì)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(dá)和分泌治療蛋白，而不會(huì)引起非特異性的腫瘤外毒性，在動(dòng)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(xì)菌遞送的 azurin 和 PD-L1-nb 的治療組合的雙重策略，不僅增強(qiáng)了對(duì)腫瘤生長(zhǎng)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(xì)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(zhǔn)治療中也具有較大的潛力，同時(shí)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(xì)菌載體的安全性和生物兼容性，確保工程細(xì)菌在體內(nèi)能夠有效生存并長(zhǎng)期保持其功能性；提高聲波穿透深度和精確度，以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)其強(qiáng)度和可控性；針對(duì)特定治療優(yōu)化超聲設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用方式，開(kāi)發(fā)便攜式的聲波設(shè)備，以推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)在個(gè)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(yuǎn)程超聲控制的基因工程細(xì)菌藥物有望成為抗擊腫瘤的有力武器，為患者提供更精準(zhǔn)、更安全的治療選擇。

參考文獻(xiàn)：

[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.