【前沿科普】基因工程改造后的抗肿瘤利器——细菌抗肿瘤相关基因工程菌及特点（三）
【前沿科普】基因工程改造后的抗肿瘤利器——细菌抗肿瘤相关基因工程菌及特点（三）
针对恶性肿瘤的微生物疗法有着悠久的历史。第一份描述感染和肿瘤组织之间联系的报告是由埃及医生在公元前2600年记录的。1866年，德国医生记录了感染化脓性链球菌的颈部肿瘤患者的治疗过程[1]。在接下来的几十年内，纽约医院的外科医生William B.Coley博士专注于开发“Coley毒素”（一种热杀伤的化脓性链球菌和粘质沙雷氏菌的各种抗肿瘤混合物），使用活菌或灭活菌以触发对肿瘤的靶向免疫攻击，这为细菌疗法奠定了基础（图1）。
目前肿瘤的治疗手段还集中在手术、化疗、放疗和免疫治疗，由于肿瘤本身缺氧、微血管紊乱等微环境，限制各种治疗疗效。细菌治疗的优势在于可以利用细菌自身运动和肿瘤靶向性，深入到肿瘤内部。不少研究表明，细菌通过基因改造后可以作为药物载体、药物疫苗等来疗肿瘤。
因此在过去的十几年里，人们对开发细菌疗法有了新的兴趣，包括使用梭状芽孢杆菌、李斯特菌、双歧杆菌和沙门氏菌等细菌。与其他细菌相比，兼性厌氧菌沙门氏菌在肿瘤中具有更高的运动性和积累性，并且在靶向肿瘤方面具有特殊的优势。它们对抗原呈递细胞具有很强的亲和力，这是与先天免疫反应和适应性抗肿瘤免疫反应的诱导和激活机制相关的特征。
图1 细菌治疗肿瘤的发展历程
1、细菌疗法原理
细菌疗法是基于细菌在肿瘤内的积累和增殖，启动抗肿瘤免疫反应。细菌可以通过简单的遗传操作或复杂的生物工程技术进一步编程，以根据临床需求生产和提供抗肿瘤药物。细菌靶向肿瘤的治疗方法可以作为单一疗法或与其他抗肿瘤疗法结合使用以达到更好的临床效果。常用的细菌包括梭状芽胞杆菌、双歧杆菌、李斯特菌、大肠杆菌和沙门氏菌等。治疗的适应症包括黑色素瘤、实体瘤、宫颈癌、胰腺癌、结直肠癌等。
研究者通过基因工程改造细菌来提高肿瘤治疗的效果，主要策略包括（1）特异性表达抗肿瘤药物或表面抗体基因（2）表达细胞因子类物质（3）表达抗血管因子。细菌的靶向性不仅可以针对肿瘤蛋白和抗原等分子靶点，也可以针对组织水平上独特的肿瘤病理改变，利用重组DNA技术对工程菌进行定向基因改造，增加其抗肿瘤的作用效果。例如：RNA干扰、前体药物裂解、细胞毒素、细胞因子、表达抗肿瘤药物、基因转移、表达抗肿瘤特异性抗原和抗体等。
由于实体肿瘤组织生长迅速，内部血管分布不均，致使肿瘤内多属于低氧的代谢环境，而细菌本身对缺氧肿瘤组织有很强的选择性，能够在肿瘤组织中聚集并繁殖，目前人们认为细菌可以通过被动和主动机制从血液循环中逃逸到肿瘤组织中实现靶向给药。细菌作为载体，通过载药治疗肿瘤的根本是能够通过独特的机制特异性靶向肿瘤实现药物的局部精准给药，同时由于细菌可在肿瘤微环境存活，可产生蛋白药物，提高局部药物剂量。
肿瘤中的细菌随后通过几种不同的机制诱导肿瘤消退，不同的细菌有不同的肿瘤抑制机制，图2显示了几种细菌为治疗肿瘤进行的主要基因修饰和能够检测出的病原体相关的分子模式（PAMPs）和模式识别受体（PRRs）。图3显示了诱导肿瘤消退的几种机制。如沙门氏菌通过诱导肿瘤细胞凋亡或通过多种机制自噬直接杀死肿瘤细胞，包括产生毒素或剥夺肿瘤细胞的营养。李斯特菌可以通过激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶和增加细胞内钙水平直接杀死肿瘤细胞，这两者会导致细胞内较高的活性氧（ROS）水平。李斯特菌也可通过对MDSCs的免疫抑制作用直接或间接进入肿瘤细胞影响肿瘤。梭状芽胞杆菌的感染，会分泌多种细菌毒素(如溶血素和磷脂酶)，可以扰乱细胞膜结构或干扰细胞内功能[2]。
图2 主要基因修饰和能够检测出的PAMPs和PRRs[3]
图2 主要基因修饰和能够检测出的PAMPs和PRRs[3]
随着人们对肿瘤发生发展认识的不断深入，肿瘤治疗策略将更趋向于多样化疗法的精准化、综合化利用。细菌抗肿瘤疗法可单独应用于治疗，也可与多种疗法联用。而基因工程技术与合成生物学的进步又为细菌抗肿瘤疗法带来新的无限可能性。未来细菌很可能被视作“完美”的抗肿瘤剂，用于治疗多种类型的肿瘤。
2、细菌抗肿瘤相关基因工程菌及特点
基于基因工程的细菌药物具有传统干预治疗无法实现的特性。在肿瘤治疗中引起了相当大的关注。减毒细菌作为多种抗肿瘤药物的“工厂”，能够特异性的靶向肿瘤组织并主动穿透肿瘤组织，在肿瘤定殖中起重要作用。
目前已观察到梭菌属、双歧杆菌属、沙门氏菌、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特氏菌等细菌能够生活在肿瘤中。其中一些野生型或基因修饰型的菌株已被开发治疗肿瘤，牛型结核分枝杆菌是第一个被批准为治疗肿瘤的细菌。而其中沙门氏菌是研究的最多的候选菌，研究应用沙门氏菌进行抗肿瘤治疗可能是细菌抗肿瘤疗法尽快取得突破的一个新的方向。
图4 1960-2010年，肿瘤细菌疗法中细菌种类与相关文章数量关系图[4]
注：以上主要内容摘自药渡调研报告
参考文献
1. Kienle, G.S., Fever in Cancer Treatment: Coley's Therapy and Epidemiologic Observations. Glob Adv Health Med, 2012. 1(1): p. 92-100.
2. Duong, M.T., et al., Bacteria-cancer interactions: bacteria-based cancer therapy. Exp Mol Med, 2019. 51(12): p. 1-15.
3. Rius-Rocabert, S., et al., Oncolytic bacteria: past, present and future. FEMS Microbiol Lett, 2019. 366(12).
4. Forbes, N.S., Engineering the perfect (bacterial) cancer therapy. Nat Rev Cancer, 2010. 10(11): p. 785-94.
