模块化设计的磁控工程细菌实现肿瘤精准免疫治疗-模块化原理设计方法及应用电子版图书

细菌疗法已成为肿瘤免疫治疗的未来发展方向之一。包括嵌合抗原受体T细胞免疫疗法（CAR-T）和溶瘤病毒在内的人工生物系统疗法已取得显著的临床治疗效果，多款产品已获批上市。作为人工生物系统疗法的重要组成部分，肿瘤细菌疗法的多项II期和III期临床试验正在开展当中，有望取得下一代突破性临床进展。传统的第一代细菌疗法利用天然细菌发挥抗肿瘤作用，如FDA批准的治疗膀胱癌的卡介苗（BCG），虽然具有较好的治疗效果，但是细菌的毒性阻碍细菌疗法的进一步应用。

随着分子生物学技术的快速发展，第二代细菌疗法通过基因工程改造增强细菌的抗肿瘤功能、或者敲除毒力因子获得减毒细菌，极大提高其治疗效果和安全性。随着纳米技术的迅速发展，借助功能化的纳米材料辅助细菌疗法，构建“细菌-纳米材料杂合系统”，已发展成为更加安全、强效、智能的第三代细菌疗法。肿瘤靶向菌基因表达的精准控制是细菌疗法安全性和有效性的基础，然而目前仍缺少有效的精准操纵手段。

近期，国家纳米科学中心聂广军/赵潇课题组在Nature Communications上发表题为“Modular-designed engineered bacteria for precision tumorimmunotherapy via spatiotemporal manipulation by magnetic field”的研究。该研究借助磁性纳米材料的磁热效应，创新实现交变磁场对体内细菌基因表达和药物释放行为的时间-空间精准操纵。

通过这种交变磁场介导的基因操纵系统，可以实现肿瘤靶向菌在肿瘤部位的裂解，以及CD47阻断药物的精准可控释放，有效降低CD47的血液毒性；同时，细菌裂解物通过I型干扰素通路能够显著增强CD47阻断药物的疗效，最终实现肿瘤的精准免疫治疗。

肿瘤细胞表面高表达的CD47蛋白作为“别吃我”信号，可以帮助肿瘤细胞逃逸巨噬细胞的清除，以CD47抗体为代表的吞噬检查点药物展示出较好的抗肿瘤治疗效果。然而，CD47广泛表达于几乎所有的正常组织细胞，是细胞表面一个重要的“自我”标记，尤其是自体免疫细胞识别红细胞的重要标志物，CD47抗体的全身给药容易导致较为严重的血液毒性。该研究借助磁场操纵的肿瘤靶向菌实现CD47阻断药物在肿瘤的特异性释放，有效避免其血液毒性。

细菌疗法通过基因改造的肿瘤靶向菌分泌的治疗性药物发挥抗肿瘤效应。静脉注射后，虽然肿瘤靶向菌主要定植在肿瘤部分，在正常的组织器官无法长期存活，但是仍可能有少量细菌定植在特定的正常组织器官，例如，肝脏、脾脏、缺氧干细胞龛等。因此，肿瘤靶向菌的基因表达和药物释放行为需要时空精准控制，防止药物在正常组织器官的释放以引起严重的副作用。该研究借助交变磁场实现药物的时空精准释放，通过控制磁场的施放时间和强度，这种时空精准控制可以及时调整给药剂量和时间间隔。例如，在治疗效果较差时增加给药次数、缩短给药间隔；或在副作用较高时及时降低给药剂量。

传统基因工程改造菌的诱导型启动子是控制细菌基因表达最常用的策略，然而无论是利用肿瘤微环境敏感型启动子（如缺氧、微酸响应型启动子），还是外源诱导剂响应型启动子（如阿拉伯糖响应型启动子），很难实现对体内细菌基因表达的精准操纵。近年来，近红外光已被用于基因表达操纵，然而有限的组织穿透能力限制了深部肿瘤的应用。作为理想的操纵手段，磁场具有优良的肿瘤组织穿透能力、安全性和非侵入性，但是借助传统的基因工程技术难以实现磁场对细菌基因表达的操纵。

因此，研究人员提出利用磁性Fe₃O₄纳米材料在交变磁场中的磁热效应实现肿瘤靶向菌基因表达的时空操纵。首先，利用基因工程和纳米技术对工程菌进行模块化设计和制造（图1A），这种模块化设计可以方便后续的功能评价和性能优化。与工业机器人类似，磁控工程菌系统由五个功能模块组成，其中包括“主动导航”、“信号解码”、“信号反馈”、“信号处理”和“信号输出”五个模块。

“主动导航”模块对应工程菌的肿瘤靶向单元，借助ClyA蛋白展示系统将靶向分子HlpA展示在细菌外膜表面，靶向肿瘤细胞高表达的硫酸乙酰肝素糖蛋白（HSPG）；“信号解码”模块对应磁热转化单元，修饰在肿瘤靶向菌表面的顺磁性Fe₃O₄纳米颗粒能够接收磁场信号并将其转化为42℃的热量；

“信号反馈”模块对应热敏荧光成像，磁热导致荧光分子Cy5和淬灭伴侣分子BHQ3的共释放，实现磁热激活的荧光活体成像监测；“信号处理和输出”模块对应蛋白表达和药物释放，在热敏启动子的控制下，磁热激活工程菌质粒中裂解蛋白的表达，实现工程菌的裂解和药物蛋白（抗CD47纳米抗体）的释放（图1B）。

图1 磁场精准操纵的肿瘤靶向菌的模块化结构、工作原理和构建流程（图源：Nature communications)

该工作发现并阐明磁控工程菌裂解物的强大免疫原性能够有效激活抗原提呈细胞（APC）的I型干扰素通路，增强APC的抗原提呈能力。与此同时，磁控释放的CD47纳米抗体能够增加APC对肿瘤抗原的摄取，因此，工程菌裂解物与CD47阻断疗法能够产生显著的协同抗肿瘤效应，将CD47“别吃我”信号介导的天然免疫强化为CD8+ T细胞介导的适应性抗肿瘤免疫反应，对原位结肠肿瘤以及远端肿瘤产生强大的抗肿瘤作用（图2）。

图2 磁控工程菌激活I型干扰素途径和CD8+ T细胞介导的适应性免疫（图源：Nature communications)

目前的多项临床试验结果表明，肿瘤靶向菌只能在部分患者的肿瘤内部定植，如何提高定植率成为限制细菌疗法的关键科学问题。相比于肿瘤靶向菌基因表达操纵的其他手段，该研究开发的磁控系统能够实现恒定磁场对细菌运动方向的控制，显著增加细菌的肿瘤靶向定植数量，展示出磁场操纵的显著优势（图3）。该研究表明，恒定磁场和交变磁场可以贯序结合使用。给药后，先借助恒定磁场提高工程菌在肿瘤的定植数量，再借助交变磁场操纵工程菌的基因表达和药物释放，这种贯序结合能够显著提高治疗效果，对400 mm³以上的大肿瘤也可以发挥较好的治疗效果。

图3 恒定磁场控制工程菌运动方向以提高肿瘤定植数量（图源：Nature communications)

综上所述，该研究将磁热效应用于肿瘤靶向菌基因表达的精准操纵，这种操纵方法的突出优势不仅在于磁场的安全性和深层组织穿透性，更在于恒定磁场和交变磁场的贯序使用，实现运动行为操纵和基因表达操纵的有机结合。对当前材料的某些升级可以改善其性能，例如，载荷的抗CD47纳米抗体也可以被其他免疫治疗药物取代从而实现不同的治疗目的（如免疫检查点抑制剂PD-L1和CTLA-4），进而实现其他药物的肿瘤靶向递送、增强疗效并降低毒性。细菌裂解物可以增加免疫细胞浸润，将“冷肿瘤”转化为“热肿瘤”，并激活I类干扰素信号通路，因此，细菌裂解物引起的免疫反应可能与这些免疫药物协同，进一步增强其疗效。这种细菌-纳米材料杂合系统为肿瘤免疫治疗策略提供了提供了新的机遇，同时也将推动细菌疗法用于癌症治疗的进一步探索。

审核编辑：刘清