細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，腫瘤細菌療法的多項II期和III期臨床試驗正在開展當中，有望取得下一代突破性臨床進展。傳統(tǒng)的第一代細菌療法利用天然細菌發(fā)揮抗腫瘤作用，如FDA批準的治療膀胱癌的卡介苗（BCG），雖然具有較好的治療效果，但是細菌的毒性阻礙細菌療法的進一步應用。

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

近期，國家納米科學中心聶廣軍/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，創(chuàng)新實現(xiàn)交變磁場對體內(nèi)細菌基因表達和藥物釋放行為的時間-空間精準操縱。

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

腫瘤細胞表面高表達的CD47蛋白作為“別吃我”信號，可以幫助腫瘤細胞逃逸巨噬細胞的清除，以CD47抗體為代表的吞噬檢查點藥物展示出較好的抗腫瘤治療效果。然而，CD47廣泛表達于幾乎所有的正常組織細胞，是細胞表面一個重要的“自我”標記，尤其是自體免疫細胞識別紅細胞的重要標志物，CD47抗體的全身給藥容易導致較為嚴重的血液毒性。該研究借助磁場操縱的腫瘤靶向菌實現(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。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菌定植在特定的正常組織器官，例如，肝臟、脾臟、缺氧干細胞龕等。因此，腫瘤靶向菌的基因表達和藥物釋放行為需要時空精準控制，防止藥物在正常組織器官的釋放以引起嚴重的副作用。該研究借助交變磁場實現(xiàn)藥物的時空精準釋放，通過控制磁場的施放時間和強度，這種時空精準控制可以及時調(diào)整給藥劑量和時間間隔。例如，在治療效果較差時增加給藥次數(shù)、縮短給藥間隔；或在副作用較高時及時降低給藥劑量。

傳統(tǒng)基因工程改造菌的誘導型啟動子是控制細菌基因表達最常用的策略，然而無論是利用腫瘤微環(huán)境敏感型啟動子（如缺氧、微酸響應型啟動子），還是外源誘導劑響應型啟動子（如阿拉伯糖響應型啟動子），很難實現(xiàn)對體內(nèi)細菌基因表達的精準操縱。近年來，近紅外光已被用于基因表達操縱，然而有限的組織穿透能力限制了深部腫瘤的應用。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)的基因工程技術難以實現(xiàn)磁場對細菌基因表達的操縱。

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實現(xiàn)腫瘤靶向菌基因表達的時空操縱。首先，利用基因工程和納米技術對工程菌進行模塊化設計和制造（圖1A），這種模塊化設計可以方便后續(xù)的功能評價和性能優(yōu)化。與工業(yè)機器人類似，磁控工程菌系統(tǒng)由五個功能模塊組成，其中包括“主動導航”、“信號解碼”、“信號反饋”、“信號處理”和“信號輸出”五個模塊。

“主動導航”模塊對應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展示在細菌外膜表面，靶向腫瘤細胞高表達的硫酸乙酰肝素糖蛋白（HSPG）；“信號解碼”模塊對應磁熱轉化單元，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化為42℃的熱量；

“信號反饋”模塊對應熱敏熒光成像，磁熱導致熒光分子Cy5和淬滅伴侶分子BHQ3的共釋放，實現(xiàn)磁熱激活的熒光活體成像監(jiān)測；“信號處理和輸出”模塊對應蛋白表達和藥物釋放，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，實現(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 磁場精準操縱的腫瘤靶向菌的模塊化結構、工作原理和構建流程（圖源：Nature communications)

該工作發(fā)現(xiàn)并闡明磁控工程菌裂解物的強大免疫原性能夠有效激活抗原提呈細胞（APC）的I型干擾素通路，增強APC的抗原提呈能力。與此同時，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，將CD47“別吃我”信號介導的天然免疫強化為CD8+ T細胞介導的適應性抗腫瘤免疫反應，對原位結腸腫瘤以及遠端腫瘤產(chǎn)生強大的抗腫瘤作用（圖2）。

圖2 磁控工程菌激活I型干擾素途徑和CD8+ T細胞介導的適應性免疫（圖源：Nature communications)

目前的多項臨床試驗結果表明，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菌療法的關鍵科學問題。相比于腫瘤靶向菌基因表達操縱的其他手段，該研究開發(fā)的磁控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)恒定磁場對細菌運動方向的控制，顯著增加細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和藥物釋放，這種貫序結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，該研究將磁熱效應用于腫瘤靶向菌基因表達的精準操縱，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，實現(xiàn)運動行為操縱和基因表達操縱的有機結合。對當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現(xiàn)不同的治療目的（如免疫檢查點抑制劑PD-L1和CTLA-4），進而實現(xiàn)其他藥物的腫瘤靶向遞送、增強療效并降低毒性。細菌裂解物可以增加免疫細胞浸潤，將“冷腫瘤”轉化為“熱腫瘤”，并激活I類干擾素信號通路，因此，細菌裂解物引起的免疫反應可能與這些免疫藥物協(xié)同，進一步增強其療效。這種細菌-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遇，同時也將推動細菌療法用于癌癥治療的進一步探索。

審核編輯：劉清