來自加州大學(xué)圣地亞哥分校和麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員提出了一種將合成生物學(xué)用于治療的新策略。這種方法使得能夠在小鼠的病灶部位持續(xù)地生成及釋放藥物，同時限制了隨時間推移生成這些藥物的工程菌群的大小。這些研究結(jié)果發(fā)布在7月20日的《自然》（Nature）雜志上。

加州大學(xué)圣地亞哥分校生物工程學(xué)和生物學(xué)教授Jeff Hasty領(lǐng)導(dǎo)研究人員，改造了一種臨床相關(guān)的細(xì)菌在腫瘤位點生成癌癥藥物，然后自毀并釋放出這些藥物。該研究小組隨后將這種細(xì)菌療法轉(zhuǎn)交給MIT的合作者們在大腸癌轉(zhuǎn)移動物模型中進行了測試。新研究提供了一種治療方法將對周圍細(xì)胞的損傷減到最小。

Hasty說：“在合成生物學(xué)中，靶向疾病位點，將損傷減至最小是治療的一個目標(biāo)。”Hasty想知道，能否設(shè)計出一個遺傳“殺傷”回路來控制體內(nèi)的菌群，由此將細(xì)菌的生長減至最少。“我們還想將一種有效的治療載荷傳遞至病灶位點。”

為了實現(xiàn)這一點，Hasty和他的研究小組讓細(xì)菌在細(xì)菌克隆于腫瘤環(huán)境內(nèi)自毀時同步爆發(fā)性釋放出已知的抗癌藥物。利用細(xì)菌在體內(nèi)傳遞癌癥藥物令人感到興奮，因為傳統(tǒng)的化療并不總能達到腫瘤內(nèi)部區(qū)域，而細(xì)菌可以移居于那里。重要地是，研究人員觀察到組合化療和細(xì)菌回路生成的基因產(chǎn)物一致地減小了腫瘤的大小。

限制菌群

為了觀察菌群動態(tài)，研究人員設(shè)計出了定制的微流體裝置在開展動物疾病模型研究之前完成仔細(xì)地測試。與工程設(shè)計一致，他們觀察到了成功限制整體生長，同時促成了編碼貨物生成和釋放的菌群周期。當(dāng)給細(xì)菌裝配上一個驅(qū)動治療劑生成的基因時，研究證實細(xì)菌克隆同步裂解殺死了人類癌細(xì)胞。這是合成生物中首個工程遺傳回路實現(xiàn)了這些目標(biāo)。

論文的主要作者、加州大學(xué)圣地亞哥Jacobs工程和生物工程學(xué)院博士生、Hasty研究小組的Omar Din說：“在這篇文章中我們描述了一個遺傳回路，其包含的一個基因編碼了可在細(xì)胞間擴散，開啟一些基因的一種小分子。一旦菌群生長至臨界大?。簬浊€細(xì)胞，細(xì)胞中的這一小分子可達到足夠高的濃度來引起該啟動子后面的基因大規(guī)模轉(zhuǎn)錄。”

這一分子AHL已知協(xié)調(diào)了整個細(xì)菌克隆的基因表達。一旦開啟，該啟動子驅(qū)動的一些基因也會被激活，包括生成AHL的基因自身。由于這一正反饋，越多AHL積累，生成的AHL越多。由于AHL小到可以在細(xì)胞間擴散，打開鄰細(xì)胞中的啟動子，它激活的基因也會大量地生成，導(dǎo)致一種叫做群體感應(yīng)的現(xiàn)象。細(xì)菌利用群體感應(yīng)來彼此溝通群體的大小，相應(yīng)調(diào)控基因表達?？茖W(xué)家們已廣泛利用了細(xì)菌的這種自然能力來作為一種工具。

Din利用群體感應(yīng)作為一種工程工具同步了這些細(xì)菌細(xì)胞，隨后添加了當(dāng)細(xì)菌克隆生長至閾值時引起細(xì)胞裂解的一種殺傷基因。在這一大規(guī)模的自毀事件后，少數(shù)細(xì)胞仍然重新定居于克隆，因此菌群的動態(tài)是周期性的。

尋找合適的藥物組合

接下來，研究人員需要尋找細(xì)菌傳遞的合適藥物。他們測試了已證實縮小腫瘤的三種不同的治療蛋白。測試結(jié)果顯示當(dāng)組合它們時最有效。研究人員將編碼這些蛋白的基因與裂解基因一起置于這一回路中。隨后他們在HeLa細(xì)胞中完成了實驗證實生成了足夠的蛋白來殺死癌細(xì)胞。

研究人員首先將細(xì)菌注入到皮下移植腫瘤的小鼠體內(nèi)。利用這一小鼠模型來顯像體內(nèi)的菌群，觀察它們的動態(tài)。結(jié)果腫瘤體積縮小了。加州大學(xué)圣地亞哥分校生物工程學(xué)生Tal Danin隨后采用了一種更先進的肝轉(zhuǎn)移小鼠模型，將細(xì)菌喂給這些小鼠。在利用這一模型測試工程細(xì)菌與化療的組合后，研究人員發(fā)現(xiàn)聯(lián)合治療相比僅給予任一種治療延長了小鼠的生存期。研究人員注意到這種新方法并沒有治愈任何小鼠。但他們確實發(fā)現(xiàn)這種療法將預(yù)期壽命延長了50%，但很難預(yù)料如何將其轉(zhuǎn)化至人類?？偠灾@些小鼠實驗建立了原理證明：使用合成生物學(xué)工具來改造“腫瘤靶向性”細(xì)菌在體內(nèi)傳遞治療蛋白。

開發(fā)一種策略

這篇Nature新文章顯示了利用群體感應(yīng)來限制菌群生長及釋放藥物。在以往的4篇Nature文章中，Hasty實驗室展示了如何協(xié)調(diào)一個細(xì)菌克隆內(nèi)部及甚至成千上萬互作克隆間的工程細(xì)胞振蕩。

約翰霍普金斯大學(xué)Ludwig中心主任、癌癥基因組領(lǐng)域先驅(qū)Bert Vogelstein說：“這篇論文描述了一種高度創(chuàng)新的策略利用合成生物學(xué)來武裝細(xì)菌。作者們證實可以利用這些細(xì)菌來減慢小鼠體內(nèi)的腫瘤生長。盡管還需要進一步地研究來使得這種治療適用于人類，如果我們要更有效地對抗癌癥，這是我們迫切需要的一種新的、前瞻性的方法。”

下一步包括調(diào)查自然存在于腫瘤中的細(xì)菌，然后改造這些細(xì)菌在體內(nèi)使用，利用多種菌株來形成一個治療團體。

Din說：“此外，我們當(dāng)前正在調(diào)查維持細(xì)菌內(nèi)這種回路的一些方法。由于這一回路生成的蛋白給細(xì)菌造成了負(fù)擔(dān)，細(xì)菌容易讓這些基因突變。此外，選擇壓力會除去包含這些基因的質(zhì)粒破壞這一回路。因此，我們未來的研究目標(biāo)是找到一些策略來穩(wěn)定細(xì)菌中的這些回路元件，減少它們對突變的敏感性。”

眾所周知，癌癥是很難治療的，因此臨床醫(yī)生和研究人員一直在尋求替代的治療方法。細(xì)菌是否能提供一種解決方案呢？根據(jù)美國疾病控制和預(yù)防中心資料顯示，結(jié)直腸癌是美國第三大最常見的癌癥，它也恰好是一種很難治療的癌癥，因為傳統(tǒng)的化療和放療，在胃腸道氧氣匱乏的環(huán)境中都不起作用。但是，新加坡南洋理工大學(xué)的研究員Teoh Swee Hin找到了這些癌癥的另一種治療選擇——細(xì)菌療法。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2015年的《Scientific Reports》上。

通過將一種特殊的細(xì)菌導(dǎo)入到黑色素瘤小鼠的消化道中，芝加哥大學(xué)的研究人員提高了小鼠免疫系統(tǒng)攻擊腫瘤細(xì)胞的能力。這一效益與采用抗PD-L1抗體一類的檢查點抑制劑進行治療相差無幾。研究人員在2015年11月的Science雜志上報告稱，聯(lián)合給予口服劑量的細(xì)菌及注射抗PD-L1抗體幾乎完全消除了腫瘤生長物。

敵人的敵人可能是你的朋友。2014年8月美國的研究人員報告稱發(fā)現(xiàn)，一種生活在土壤中的致病細(xì)菌——諾維氏梭菌有可能成為新的抗癌輔助手段。這種微生物不僅讓實驗狗體內(nèi)的腫瘤縮小了，對于人類腫瘤似乎也同樣具有一定效果。