用近红外光编程细菌，增强实体瘤治疗效果

肿瘤细菌疗法是一种以细菌为主体的肿瘤疗法。早在1868年，科利医生就开始使用活菌来治疗肉瘤患者。但是天然菌株的毒性较强，且疗效不稳定，因此限制了肿瘤细菌疗法的广泛应用。为了克服这些问题，科学家们运用基因工程技术来改造这些菌株，但安全性和治疗效果之间的平衡仍然是一个难题。

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近年来，合成生物学技术的快速发展为肿瘤细菌疗法提供了新的契机。利用这种技术，研究人员可以对细菌进行基因线路的合理设计和功能化改造，以实现对细菌的精确控制。这样就可以在保证安全性的前提下，提高疗效并减少副作用。未来将有越来越多的菌株开始从实验室走向临床应用，为肿瘤治疗带来了新的希望。

近日，一项发表于《国家科学评论》的研究表明，一科研团队成功将铜绿假单胞菌菌株改造成为具有实体瘤治疗功效的工程菌。在治疗过程中，该工程菌的全局表型可被近红外光的辐照程序精确的控制，从而更有效的消融瘤体达到治疗效果，具有巨大的潜在应用价值。

该研究由中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所金帆课题组完成，组内助理研究员张荣荣为文章共同第一作者及共同通讯作者，金帆研究员为文章通讯作者。

合成生物学技术提供肿瘤治疗新思路

与其他药物的研发过程相似，细菌用于肿瘤治疗需要一个漫长的周期，而其中的第一个环节就是菌种的选择、改造以及疗效测试。在进入宿主体内后，细菌治疗肿瘤的过程包括细菌靶向肿瘤组织、定殖以及药物释放。

基于合成生物学手段，科学家们能够利用基因工程改造的微生物或细胞而非传统的化学小分子或生物制剂，作为新型疾病治疗方法的开发基础。人工设计的携带有合成基因线路的微生物或细胞能够响应疾病标志物或者外界信号，实现对药物释放位置、释放时间和释放剂量的控制，已逐渐发展为人类对抗疾病的强有力武器。

肿瘤治疗是一个长期的动态过程，细菌粘附、定殖与药物释放都是细菌治疗肿瘤过程中的关键步骤，科研团队认为理想的治疗过程也应当对细菌行为进行动态控制。但是，目前的大多数肿瘤细菌疗法通常只专注于某一步骤的优化，而忽视对整个治疗过程的控制。其次，对于大多数药物来说，能否在肿瘤内达到足够的药物浓度并维持一定时间是肿瘤治疗效果的关键。

细菌载药量较小，为了获得足够的瘤内药物浓度，细菌的定殖量就显得格外重要。在现有的肿瘤细菌疗法中，细菌瘤内定殖能力主要依赖于自身，但这种天然的定殖能力能否在不同的肿瘤环境中维持是存疑的，因此对于定殖能力施加外源控制也是十分必要的。

“基于以上考虑，我们希望利用合成生物学技术对细菌的功能进行全新设计，开发一种可同时控制粘附、定殖与药物释放的新型活菌载体用于肿瘤治疗，通过对治疗流程的优化，实现肿瘤疗效的增强”，金帆研究员说道。

光控细菌“浮游-定殖-裂解”三态切换

作为微观“机器人工厂”，细菌载体可以根据临床需求遵循简单的遗传规则或复杂的合成生物工程原则进行重新编程，从而产生和递送抗癌药物。受到自然界中细菌生存方式的启发，研究团队为工程菌设计了浮游状态和生物被膜状态两种表型以实现对其定殖能力的控制，其中浮游状态细菌的定殖能力较弱，能够减少对正常组织的伤害；而生物被膜状态细菌的定殖能力较强，能够增加其在肿瘤组织内的定殖量。同时，为了实现药物的释放，科研团队引入了裂解表型。通过裂解的方式进行药物释放，不受蛋白大小的限制，而且裂解能够限制细菌数量，提升系统的安全性。

通过近红外光操控实体瘤内的细菌生活方式 科研团队供图

生物被膜的形成与第二信使分子环二鸟苷酸（即 c-di-GMP）密切相关。当细菌胞内的c-di-GMP 浓度增加时，细菌的定殖能力增加并倾向于形成生物被膜表型。为了控制生物被膜的形成，科研团队需要通过诱导表达相关基因实现。

光遗传学是一种能够灵活操控基因表达的技术。通过光遗传学工具的使用，研究人员能够以极高的时空分辨率对生物体的行为进行控制，既可以通过光照强度的改变来调整光敏蛋白的活性，进而完成对下游目的基因表达水平的控制；也可以通过调整光照的空间位置，完成对特定区域生物体行为的控制。科研团队通过光敏蛋白 BphS 实现对 c-di-GMP 合成的控制，并通过理论模拟和高通量筛选，成功构建了具有三种表型的工程菌。该工作是首次尝试将光直接用于细菌多种行为的调控并用于肿瘤治疗。

“小”细菌发挥“大”效益

研究团队在20天的实验周期内，通过8次注菌并使用高强度的近红外光照射，有效抑制了肿瘤生长。随后，研究团队通过优化光照程序对工程菌的生活方式进行控制，以实现对药物累积和药物释放的持续控制。

结果显示，在对小鼠施加两个循环周期的的近红外光光照程序后，小鼠肿瘤生长受到了抑制，而对照组无法抑制小鼠肿瘤生长。随后，研究团队测进行了更长周期的实验，结果表明，所有小鼠的肿瘤生长均受到了抑制。值得关注的是，30%小鼠的肿瘤完全消失，而对照组小鼠的肿瘤则持续生长。以上结果表明，编程细菌生活方式在肿瘤的长期治疗过程中具有显著优势，能够在较少的注菌次数下获得更好的肿瘤抑制效果。

使用活体肿瘤定向细菌进行治疗提供了一种独特的选择来应对肿瘤治疗中的挑战，被称为细菌介导的癌症治疗（BMCT）。迄今为止，几乎所有关于BMCT的研究都集中在更新抗癌治疗和控制释放策略方面。然而，人们忽视了细菌本身在BMCT中的重要作用。在临床试验中，细菌定殖密度较少，异质性较大，故治疗效果不佳。因此，科研团队在该研究中尝试控制未曾被利用的肿瘤内细菌活动。合理地开发了一个遗传回路，以动态编程细菌生活方式，通过近红外光的照明功率密度的分层调节，精确地操纵细菌粘附、定殖和药物释放过程。

近红外光编程细菌生活方式是一种新兴的生物技术，利用近红外光的能量，通过光敏感基因和分子开关等技术手段，来控制和调节细菌的生长和行为。这种技术可以让人们通过光的刺激，实现对细菌的远程控制，从而改变细菌在体内的生活方式和行为，进而强化对实体瘤的治疗效果。

期刊审稿人表示：“该工作具有极高的创新性且总体设计思路非常精妙，将对肿瘤细菌疗法领域产生巨大的影响。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad031