在癌癥治療中，將藥物準(zhǔn)確遞送到腫瘤位置不僅能夠提升治療效果，也能夠減少很多藥物對正常人體組織的毒性。然而，如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確遞送是醫(yī)學(xué)界的一大難題。近日，中國科學(xué)家在一項(xiàng)研究中成功將細(xì)菌改造成一種針對腫瘤的“聲控炸彈”，能夠在到達(dá)腫瘤位置時通過外部超聲波“引爆”，釋放藥物發(fā)動攻擊。

這項(xiàng)研究于2024年4月11日發(fā)表在 Cell Reports Medicine 上，作者是來自華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的葉海峰團(tuán)隊(duì)。在該研究中，研究者通過基因工程技術(shù)設(shè)計構(gòu)建了一套基因表達(dá)系統(tǒng)，并將其安插到一種沙門氏菌體內(nèi)，制作出一種可以用超聲波從外部加以控制的工程細(xì)菌來治療癌癥。

把細(xì)菌當(dāng)作“工廠”來生產(chǎn)藥用蛋白質(zhì)并不新鮮?？茖W(xué)家們可以通過將目標(biāo)基因插入細(xì)菌本身的基因之中，來“指揮”細(xì)菌生產(chǎn)想要的蛋白質(zhì)。而該研究的亮點(diǎn)在于研究者們在這些基因上加上了一個聲控“開關(guān)”——只有當(dāng)在外部使用超聲波加熱到一定溫度時，這些基因才會表達(dá)。

這一“開關(guān)”實(shí)際上是一種被稱為“TIpA39”的轉(zhuǎn)錄抑制因子。所謂轉(zhuǎn)錄抑制因子，是指能夠阻止基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)而阻止表達(dá)的一類蛋白質(zhì)。而TIpA39的神奇之處在于它在溫度比較低（小于39攝氏度）時才會阻止基因轉(zhuǎn)錄，而溫度升高時它則會分解失效，使轉(zhuǎn)錄得以繼續(xù)。

有了這個因子的幫助，這套被作者們稱為“SINGER”（Sono-activatable Integrated Gene Circuit，“超聲激活整合基因回路”）的系統(tǒng)就能夠通過超聲波精確加熱來控制工程細(xì)菌的基因表達(dá)。在該研究中，研究人員們?yōu)槠渑鋫涞闹委煹鞍踪|(zhì)基因是Azurin（天青蛋白）與 PD-L1 nb（PD-L1納米抗體），這兩種物質(zhì)分別從引導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡和增強(qiáng)免疫識別的角度來治療癌癥。

在該研究中，研究者們將這種改造過的細(xì)菌通過瘤內(nèi)注射或者靜脈注射的方式遞送到小鼠體內(nèi)。在超聲波的控制下，這些細(xì)菌內(nèi)的藥物蛋白基因被激活，開始生產(chǎn)并釋放治療藥物。初步實(shí)驗(yàn)顯示，小鼠的腫瘤生長被顯著抑制，甚至被徹底清除。

什么是聲遺傳學(xué)？通過超聲波控制細(xì)菌能有多精準(zhǔn)？這種療法在癌癥治療中的前景如何？為了回答這些問題，澎湃科技記者采訪了該研究的共同通訊作者、華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長、研究員葉海峰。

【對話】

改造細(xì)菌搭載聲控“開關(guān)”

澎湃科技：能否介紹一下科學(xué)家是如何改造細(xì)菌的？目前都應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？

葉海峰（華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副院長、研究員）：研究中，我們通過合成生物學(xué)技術(shù)改造了一種名為VNP20009的減毒沙門氏菌，使其能夠響應(yīng)超聲波的刺激來表達(dá)和釋放功能蛋白。

具體來說，我們開發(fā)了一個基于熱敏轉(zhuǎn)錄抑制子TlpA39的超聲激活集成基因回路（SINGER），通過對啟動子和核糖體結(jié)合位點(diǎn)、分泌信號等基因元件的篩選與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在工程細(xì)菌中通過超聲波介導(dǎo)的局部升溫誘導(dǎo)蛋白質(zhì)表達(dá)和分泌，且具有最小的背景噪聲和高誘導(dǎo)效率。

這種技術(shù)目前雖仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，但是在醫(yī)療和治療疾病方面顯示出巨大的潛力。如在腫瘤治療領(lǐng)域，通過超聲調(diào)控定制化的細(xì)胞（哺乳動物細(xì)胞或細(xì)菌）精確控制抗癌藥物在腫瘤特定區(qū)域內(nèi)釋放，以增強(qiáng)治療效果并減少對正常組織的損害。此外，目前也有研究利用該技術(shù)進(jìn)行腫瘤的診斷。

澎湃科技：研究中所使用的“SINGER”系統(tǒng)由聲波所控制，讓人感覺十分神奇。能否介紹一下“聲遺傳學(xué)”？自然界中有哪些用聲音控制生物系統(tǒng)的例子嗎？

葉海峰：“聲遺傳學(xué)”（Sonogenetics）是一個相對較新的研究領(lǐng)域，它結(jié)合了合成生物學(xué)、遺傳學(xué)和聲波技術(shù)，通過非侵入性的方式使用聲波來控制生物系統(tǒng)中特定基因表達(dá)。聲遺傳學(xué)在生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用等領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿?，尤其在神?jīng)元調(diào)控、腫瘤機(jī)制研究、聲動力治療及聽力損傷等方面。

自然界中，直接使用“聲波控制基因表達(dá)”的現(xiàn)象雖不常見，但在動物界中可以觀察到一些生物響應(yīng)環(huán)境中的聲音來影響行為或生理反應(yīng)的現(xiàn)象。例如，蝙蝠和海豚等使用發(fā)出的聲波進(jìn)行回聲定位來導(dǎo)航和捕食，某些昆蟲使用聲波來吸引配偶或警告同伴可能的危險，某些植物能夠?qū)ν饨绲穆暡ㄗ龀錾矸磻?yīng)而改變生長方向或速度等。

澎湃科技：能否介紹一下SINGER系統(tǒng)？文中提到它可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)精確的控制，能精確到什么程度？

葉海峰：SINGER系統(tǒng)是一種超聲激活的集成基因回路，它能夠在超聲波介導(dǎo)的溫度刺激下精確控制基因的表達(dá)。在我們的研究中，SINGER系統(tǒng)通過溫度依賴的TlpA39轉(zhuǎn)錄抑制子來實(shí)現(xiàn)對基因表達(dá)的控制。在低于39°C時，TlpA39二聚體結(jié)合到合成的啟動子PTlpA上，阻止下游基因轉(zhuǎn)錄；當(dāng)溫度升高到39°C時，TlpA39蛋白解聚從PTlpA上解離，從而允許目標(biāo)基因的表達(dá)。通過調(diào)整超聲波的強(qiáng)度和刺激時間，實(shí)現(xiàn)對溫度的調(diào)控，進(jìn)而能夠精確控制基因表達(dá)的時間和水平，實(shí)現(xiàn)對治療蛋白質(zhì)表達(dá)的精確控制。

基因表達(dá)的精確控制體現(xiàn)在以下幾個方面：①基因表達(dá)的即時性：通過超聲波介導(dǎo)的溫度變化，SINGER系統(tǒng)能夠迅速啟動或關(guān)閉目標(biāo)基因的表達(dá)。②背景噪聲最小化：通過啟動子工程和核糖體結(jié)合位點(diǎn)（RBS）篩選優(yōu)化，SINGER系統(tǒng)能夠在無超聲波刺激的情況下產(chǎn)生極低的背景基因表達(dá)，從而減少非特異性效應(yīng)和潛在的副作用。③空間特異性：由于聲波可以聚焦到身體的特定部位，SINGER系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在特定組織或器官中控制治療蛋白釋放，減少對其他部位的影響。

利用工程細(xì)菌精準(zhǔn)抗癌

澎湃科技：本研究中，SINGER系統(tǒng)被激活后會釋放azurin/PD-L1蛋白質(zhì)。這兩種蛋白質(zhì)是為什么具有抑制腫瘤的效果？

葉海峰：在我們的研究中，SINGER系統(tǒng)被激活后會釋放azurin和PD-L1納米抗體（PD-L1 nb）。

azurin是一種從銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中分離出的天青蛋白，能夠進(jìn)入癌細(xì)胞并誘導(dǎo)其凋亡。它能夠與癌細(xì)胞表面的特定分子相互作用，進(jìn)而干擾癌細(xì)胞內(nèi)部的信號傳導(dǎo)路徑。當(dāng)前，azurin 主要處于基礎(chǔ)研究和臨床前試驗(yàn)階段，尚未成為標(biāo)準(zhǔn)的臨床治療方法。

PD-L1 nb是一種靶向程序性死亡配體1（PD-L1）的小型抗體片段。PD-L1是許多腫瘤細(xì)胞表面表達(dá)的一種蛋白質(zhì)，它通過與免疫系統(tǒng)中T細(xì)胞上的PD-1受體結(jié)合，可以使腫瘤細(xì)胞“隱身”逃避免疫系統(tǒng)的攻擊。通過阻斷PD-L1與PD-1之間的相互作用，PD-L1 nb能夠重新激活T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，從而幫助免疫系統(tǒng)識別并消滅腫瘤細(xì)胞。PD-L1抑制劑已經(jīng)被廣泛用于臨床治療多種類型的癌癥，尤其是在免疫療法領(lǐng)域，表現(xiàn)出了顯著的治療效果。

澎湃科技：與Car-T為代表的細(xì)胞免疫療法相比，你們的這項(xiàng)研究有什么特點(diǎn)？有結(jié)合的可能嗎？

葉海峰：與Car-T細(xì)胞免疫療法相比，本研究中的聲遺傳學(xué)改造細(xì)菌療法具有一些獨(dú)特的特點(diǎn)。首先，由于細(xì)菌的基因元件的易操作性，以及細(xì)菌自身易于擴(kuò)增培養(yǎng)等特點(diǎn)，相較于Car-T，會有更低的時間和經(jīng)濟(jì)成本。其次，相同的細(xì)菌載體和治療基因可以用于多個患者，無需針對個體進(jìn)行特別定制，具有普適性。同時，利用細(xì)菌腫瘤特異性定植的優(yōu)勢和超聲波時空特異性的特點(diǎn)，SINGER系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)藥物在目標(biāo)腫瘤區(qū)域?qū)崟r、按需釋放，提高了治療的靈活性和安全性。此外，工程細(xì)菌作為藥物工廠，可以持續(xù)產(chǎn)生多種治療蛋白質(zhì)，協(xié)同增強(qiáng)治療效果。

工程細(xì)菌療法和CAR-T細(xì)胞療法的結(jié)合可能為癌癥治療提供一個全面的治療策略。例如，利用工程細(xì)菌的局部化治療優(yōu)勢可以增強(qiáng)Car-T細(xì)胞的靶向性或?qū)崿F(xiàn)局部免疫刺激，增強(qiáng)療效的同時降低系統(tǒng)性副作用。此外，工程細(xì)菌還可以作為生物反應(yīng)器在體內(nèi)直接產(chǎn)生CAR-T細(xì)胞所需的信號分子，提供一種更為直接和高效的方式來支持CAR-T細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境中的存活和功能?？傊@兩種療法的結(jié)合可能會開辟新的癌癥治療途徑，使得治療更加精準(zhǔn)、有效，同時也更安全。

澎湃科技：聲遺傳學(xué)改造細(xì)菌療法還可能用于治療哪些疾??？還有哪些難題需要攻克？

葉海峰：聲遺傳學(xué)改造細(xì)菌療法除了用于治療癌癥之外，還有潛力用于治療其他疾病，如代謝性疾病、自身免疫疾病、感染性疾病等。例如，可以通過超聲介導(dǎo)的局部升溫調(diào)控工程細(xì)菌原位產(chǎn)生和釋放激素、酶或抗炎劑，以改善代謝紊亂或治療腸道炎癥。此外，當(dāng)發(fā)熱是主要癥狀時，工程細(xì)菌可以被編程來產(chǎn)生和釋放抗炎細(xì)胞因子或抗菌肽。

要實(shí)現(xiàn)更有效、更廣泛的疾病治療應(yīng)用，未來的研究還需繼續(xù)優(yōu)化細(xì)菌載體的安全性和生物兼容性，確保工程細(xì)菌在體內(nèi)能夠有效生存并長期保持其功能性；提高聲波穿透深度和精確度，以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)其強(qiáng)度和可控性；針對特定治療優(yōu)化超聲設(shè)備的設(shè)計和使用方式，開發(fā)便攜式的聲波設(shè)備，以推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)在個性化、非侵入性治療中的廣泛應(yīng)用。

轉(zhuǎn)載來源：澎湃新聞 作者：季敬杰