來(lái)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(shí)限制了隨時(shí)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(diǎn)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?cè)诖竽c癌轉(zhuǎn)移動(dòng)物模型中進(jìn)行了測(cè)試。新研究提供了一種治療方法將對(duì)周?chē)?xì)胞的損傷減到最小。

 

Hasty說(shuō)：“在合成生物學(xué)中，靶向疾病位點(diǎn)，將損傷減至最小是治療的一個(gè)目標(biāo)。”Hasty想知道，能否設(shè)計(jì)出一個(gè)遺傳“殺傷”回路來(lái)控制體內(nèi)的菌群，由此將細(xì)菌的生長(zhǎng)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(diǎn)。”

 

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(shí)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?yàn)閭鹘y(tǒng)的化療并不總能達(dá)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(dòng)態(tài)，研究人員設(shè)計(jì)出了定制的微流體裝置在開(kāi)展動(dòng)物疾病模型研究之前完成仔細(xì)地測(cè)試。與工程設(shè)計(jì)一致，他們觀察到了成功限制整體生長(zhǎng)，同時(shí)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(gè)驅(qū)動(dòng)治療劑生成的基因時(shí)，研究證實(shí)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(gè)工程遺傳回路實(shí)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(shuō)：“在這篇文章中我們描述了一個(gè)遺傳回路，其包含的一個(gè)基因編碼了可在細(xì)胞間擴(kuò)散，開(kāi)啟一些基因的一種小分子。一旦菌群生長(zhǎng)至臨界大小：幾千個(gè)細(xì)胞，細(xì)胞中的這一小分子可達(dá)到足夠高的濃度來(lái)引起該啟動(dòng)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(gè)細(xì)菌克隆的基因表達(dá)。一旦開(kāi)啟，該啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的一些基因也會(huì)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(kuò)散，打開(kāi)鄰細(xì)胞中的啟動(dòng)子，它激活的基因也會(huì)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(lái)彼此溝通群體的大小，相應(yīng)調(diào)控基因表達(dá)?？茖W(xué)家們已廣泛利用了細(xì)菌的這種自然能力來(lái)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(zhǎng)至閾值時(shí)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(dòng)態(tài)是周期性的。

 

尋找合適的藥物組合

 

接下來(lái)，研究人員需要尋找細(xì)菌傳遞的合適藥物。他們測(cè)試了已證實(shí)縮小腫瘤的三種不同的治療蛋白。測(cè)試結(jié)果顯示當(dāng)組合它們時(shí)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?cè)?/span>HeLa細(xì)胞中完成了實(shí)驗(yàn)證實(shí)生成了足夠的蛋白來(lái)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(lái)顯像體內(nèi)的菌群，觀察它們的動(dòng)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(jìn)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(cè)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(zhǎng)了小鼠的生存期。研究人員注意到這種新方法并沒(méi)有治愈任何小鼠。但他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)這種療法將預(yù)期壽命延長(zhǎng)了50%，但很難預(yù)料如何將其轉(zhuǎn)化至人類?？偠灾@些小鼠實(shí)驗(yàn)建立了原理證明：使用合成生物學(xué)工具來(lái)改造“腫瘤靶向性”細(xì)菌在體內(nèi)傳遞治療蛋白。

 

開(kāi)發(fā)一種策略

 

這篇Nature新文章顯示了利用群體感應(yīng)來(lái)限制菌群生長(zhǎng)及釋放藥物。在以往的4篇Nature文章中，Hasty實(shí)驗(yàn)室展示了如何協(xié)調(diào)一個(gè)細(xì)菌克隆內(nèi)部及甚至成千上萬(wàn)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(shuō)：“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(lái)武裝細(xì)菌。作者們證實(shí)可以利用這些細(xì)菌來(lái)減慢小鼠體內(nèi)的腫瘤生長(zhǎng)。盡管還需要進(jìn)一步地研究來(lái)使得這種治療適用于人類，如果我們要更有效地對(duì)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(lái)形成一個(gè)治療團(tuán)體。

 

Din說(shuō)：“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(huì)除去包含這些基因的質(zhì)粒破壞這一回路。因此，我們未來(lái)的研究目標(biāo)是找到一些策略來(lái)穩(wěn)定細(xì)菌中的這些回路元件，減少它們對(duì)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(guó)疾病控制和預(yù)防中心資料顯示，結(jié)直腸癌是美國(guó)第三大最常見(jiàn)的癌癥，它也恰好是一種很難治療的癌癥，因?yàn)閭鹘y(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(guò)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(diǎn)抑制劑進(jìn)行治療相差無(wú)幾。研究人員在2015年11月的Science雜志上報(bào)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(zhǎng)物。

 

敵人的敵人可能是你的朋友。2014年8月美國(guó)的研究人員報(bào)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(shí)驗(yàn)狗體內(nèi)的腫瘤縮小了，對(duì)于人類腫瘤似乎也同樣具有一定效果。