以毒攻毒！细菌版“隐秘而伟大”

文章来自“科学大院”公众号

作者： 董宇轩

今年，以色列魏茨曼科学研究所（Weizmann Institute of Science）领衔的一支科研团队发现，在人类的肿瘤里，存在许多细菌。虽然这一发现是否有助于疾病治疗还需要探索，但是人们早已发现“肿瘤”和“细菌”之间存在着某种关联。

（图片来源：Science，2020）

科学家利用细菌治疗癌症早已不是什么新闻。从卡介苗治疗膀胱癌到依靠肠道内细菌精准打击癌症细胞，和免疫细胞周旋，定殖抗击癌细胞，让细菌为我所用可不是脑洞故事。跟着大院er来了解一下细菌版“隐秘而伟大”吧~

“伟大的发现”——细菌疗法的问世

细菌治疗肿瘤，其实并不是一个新颖的想法。它的历史可以回溯到至少150年前。

19世纪初，德国临床医生Busch医生发现患有恶性肿瘤的患者在感染丹毒后（现在称为化脓性链球菌），患者的病状得到了相应缓解。后来，外科医生William B. Coley经其启发，通过阅读总结大量的恶性肿瘤病例，产生了一个大胆的想法：也许细菌可以对恶性肿瘤起到一个“以毒攻毒”的治疗效果！

19世纪中叶，Coley为了验证自己的想法，做出了一个大胆的尝试：是不是可以有目的性地让恶性肿瘤患者主动去感染化脓性链球菌呢？抱着治疗肿瘤的一线希望，他付诸行动，结果令人惊喜，一名头颈癌患者感染化脓链球菌后居然康复了！

但是，由于用活细菌治疗毕竟存在着极大的安全风险，患者很容易因为感染细菌而失去性命。Coley随后对细菌进行了灭活处理，消除了这一安全隐患，这就是如今为人津津乐道的Coley毒素（Coley’s Toxins）。但在当时的年代，放疗和化疗是被更多的医生与患者采纳接受的治疗方法，所以，细菌治疗肿瘤如昙花一现般匿迹在历史中，无人再问津。不过当后人再次统计整理Coley毒素的治疗结果时，却有了令人瞠目结舌的发现：Coley毒素的疗效与现如今的常规治疗方法取得的成绩旗鼓相当！

图1 癌症免疫疗法之父——William B. Coley (1862-1936)（图片来源：维基百科）

“特洛伊木马”——细菌特异性靶向实体瘤

恶性实体肿瘤中分布着复杂的脉管系统，就像“占山为王”的“土匪”，依赖新生血管源源不断的掠夺给养，这为实体肿瘤的后续生长及转移提供了物质基础和必要条件。实体肿瘤中的血管大多走形扭曲，血液流通不畅，这导致了大部分药物分子很难深入实体瘤内部，从而大大削弱了药物分子的抗癌作用。以目前比较有代表性的嵌合抗原受体T细胞疗法（Chimeric Antigen Receptor T-Cell Therapy，也就是大名鼎鼎的CAR-T）为例，其在白血病等血液肿瘤中表现出不错的治疗效果，但在恶性实体瘤中的表现却不尽人意。

但对于细菌来说，这恰恰是个好消息。由于血液流通不畅导致实体瘤内环境缺氧，从而形成中心厌氧区，氧气浓度恰恰成为了细菌感知及靶向肿瘤微环境的重要信号之一，这为细菌的潜入、定殖提供了极大的生存空间。例如大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、梭状芽孢杆菌等兼性或专性厌氧菌等都具备着较高的肿瘤定殖能力。

大量小鼠实验的研究也表明，通过静脉注射的方式将细菌注入小鼠体内，正常组织内的细菌会随着小鼠机体免疫系统的激活而被消灭殆尽，而进入肿瘤内的细菌却能定殖下来，建立自己的“根据地”，不仅躲避掉了免疫细胞的围追堵截，还能像“特洛伊木马”一样，潜入肿瘤内部，为消灭肿瘤细胞奠定了基础。

图2 特洛伊木马——细菌定殖实体瘤厌氧区（图片来源：董宇轩 制作）

“明星范例”——浅谈卡介苗

细菌一方面具备着上述所说的天然靶向肿瘤的能力；另一方面，又易于进行基因工程改造。目前，有关细菌治疗肿瘤的报道越来越多。如破伤风梭菌、沙门氏菌、霍乱弧菌、单核细胞增多性李斯特菌等条件致病菌以及大肠杆菌、嗜酸乳杆菌、两歧双歧杆菌、中华短芽孢杆菌等非致病菌。

在群星璀璨般的明星菌株中，最具里程碑意义的当属卡介苗（Bacillus Calmette‐Guérin, BCG）。卡介苗是临床上常用的肿瘤治疗佐剂，并且也具有预防结核病、治疗哮喘性支气管炎及预防小儿感冒等功效。卡介苗是由减毒的牛型结核分枝杆菌悬液制成的活细菌制剂，是法国巴斯德研究所的Charles Calmette和Camille Guérin在1900年研究结核分岐杆菌疫苗时所发现的。他们在使用含有胆汁的培养基传代培养牛型结核分枝杆菌时发现细菌毒力逐渐降低，并在超过1000次传代培养后获得了如今我们所使用的减毒菌株。

卡介苗于1959年首次应用于癌症免疫治疗。在1976年，Morales等发表了具有划时代意义的论文。他们对9例复发性浅表性膀胱癌患者应用BCG，疗效显著。在40年的时间中，BCG因其稳定、显著、安全的疗效而作为膀胱癌佐剂被广泛应用，并于1990年获得美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration, FDA）批准。虽然BCG应用于癌症免疫治疗的机理不明导致其临床开发备受争议，但这不能否认其在治疗和预防浅表性膀胱移行细胞癌方面表现出的良好的治疗效果。

图3 减毒活细菌疫苗——卡介苗（图片来源：维基百科）

“一个捣蛋鬼”——扭转瘤内的免疫抑制微环境

如果把我们的免疫系统比作所向披靡、战无不胜的军队的话，癌细胞就好比打入我军内部的间谍，它不仅能利用狡诈的手段释放信号分子蒙蔽免疫细胞的“双眼”，还能策反我们的“安全卫士”替恶性肿瘤充当 “保护伞”，为肿瘤细胞的增殖“保驾护航”。正所谓解铃还须系铃人，考虑通过重新唤醒我们机体的免疫细胞的方式，擦亮它们的双眼，再去消灭癌细胞，这也许会成为治愈癌症的突破口。众所周知，目前像PD-1/PD-L1免疫检查点抑制剂疗法（Immuno Checkpoint Blockade Therapy）等就是通过阻止肿瘤细胞和免疫细胞“握手”，来切断二者之间的“合作关系”。

令人惊奇的是，细菌疗法也能达到类似的效果。因为细菌作为病原菌摄入体内后，同样也打破了机体内原本“沉寂”的免疫微环境，激活免疫细胞在杀伤细菌同时，也消灭癌细胞。在Coley毒素问世之后，当时的年代大家普遍认为细菌疗法完全就是免疫疗法，因此，Coley也被尊称为“癌症免疫疗法之父”。

但如今大量的研究已经表明，细菌治疗肿瘤的方式是多样化的。细菌自身不仅具备溶瘤作用，也可以像激活剂一样重新激活免疫细胞；另外通过基因工程改造细菌成为递送药物的智能载体，实现药物在瘤内的深度递送，从而精准打击肿瘤目标，达到“鸠占鹊巢、抢占资源”的消灭癌细胞的效果。目前已经报道的细菌递送药物分子，包括Cly-A、DT-A、TRAIL等细胞毒性药剂，或者IL-2、IL-18、CCL21等细胞因子，或者p53等调控因子，或者Stat3等小分子干扰RNA等等。

图4 细菌载体递送抗瘤药物分子（图片来源：Oncotarget, 2010）

“扬帆远航”——合成生物学开启细菌疗法新篇章

合成生物学的发展使沉寂百年的细菌疗法重新焕发了生机。合成多功能的基因线路，有助于优化细菌更加有效地弥补天然细菌治疗肿瘤的缺陷，例如对病原菌进行减毒处理，可以让其更安全；对细菌的游动能力进行改造能够使其活动性更强；对细菌表面的某些蛋白进行修饰，又可以使其像钥匙与锁头一样，与机体内的细胞特异性结合……

1. 细菌安全性优化

在应用致病菌进行肿瘤治疗的过程中，需要慎重考虑致病菌带来的生物安全风险。由此，科学家们设计出了一种被称为“自杀开关（kill switch）”的合成基因线路，来提高细菌治疗的安全性。通过氧气敏感启动子驱动自杀基因表达的方式，当细菌趋向瘤内厌氧区时，其会正常定殖并维持治疗肿瘤的效果，但细菌若逃逸到正常组织，高浓度的氧气环境会驱使毒性基因的表达，启动细菌自杀机制。

2.细菌表达药物的可控释放

群体感应基因线路是一种能够实现基因在特定宿主器官部位表达可控表达的智能反馈系统。在治疗肿瘤的过程中，群体感应基因线路能够通过感知细菌的菌群密度，自动调节治疗性药物蛋白的输出表达，规避药物剂量风险，保护正常组织器官不受损伤。Tal Danino团队构建的细菌同步化周期性抗肿瘤药物合成和裂解释放系统，通过群体感应自动维持细菌定殖数量，保证抗肿瘤药物表达的剂量安全，实现了抗肿瘤药物表达的周期化、精确化的时空控制。

图5 同步周期化的细菌裂解系统（Nature, 2016）

细菌的智能性优化

依靠合成生物学先进的工程理念，科学家们能够赋予“细菌导弹”更多样化、智能化的功能。Matthew Chang团队重新编程了肠道益生菌大肠杆菌Nissle 1917，使其在细胞表面表达一个特别的蛋白质，该蛋白能与一种在癌细胞中表达的蛋白多糖结合；同时，通过基因编程引入一种酶类物质，可以将患者食用西兰花中的天然成分转化为一种抗癌有机小分子。这项工作证明了经合成生物学改造的细菌具有将常规食物转化为预防或治疗癌症药剂的潜在价值。

图6 细菌疗法概念图——精准打击恶性实体瘤的“智能导弹”（图片来源：莫雨轩 董宇轩制作）

总的来说，无论传统疗法、“诺奖疗法（免疫疗法）”还是细菌疗法，从基础研究到临床测试再到造福患者仍有着很长的一段路要走，还有太多的瓶颈难题没有攻克。相信随着科学家的探索，我们能够看见战胜癌症的曙光。

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作者单位：中国科学院 深圳先进技术研究院 合成生物学研究所

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