腫瘤，這一古老頑疾至今仍是人類健康的重大威脅。然而，早于放療、化療等經(jīng)典腫瘤療法，細菌溶瘤的臨床應(yīng)用早在150余年前就已被報道。但出于安全性、可控性和療效等方面的顧慮，腫瘤細菌療法的研究陷入沉寂長達半個世紀之久。

近年來，合成生物學(xué)的發(fā)展使細菌療法重新煥發(fā)了生機，越來越多的“細菌藥物”被報道具有實體瘤治療效果。然而，迄今為止仍然還有諸多問題懸而未決：“細菌為何能治療惡性實體瘤？”“細菌如何逃過宿主免疫系統(tǒng)而不被殺死？”“細菌為何能定殖在腫瘤內(nèi)？”等等，這也成為了細菌療法無法邁向臨床、服務(wù)患者的瓶頸問題。

2025年3月4日，我們團隊（中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點實驗室劉陳立研究員團隊）聯(lián)合中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康所研究員肖意傳團隊等在學(xué)術(shù)期刊《細胞》發(fā)表最新成果。通過定量合成生物學(xué)研究成功構(gòu)建了一種特殊的工程菌（DB1），不僅揭示了上述問題的答案，還成功利用工程菌（DB1）實現(xiàn)消滅實體瘤。

“一種機制，三重功能”，本文將帶大家一起來看細菌如何借助定量合成生物學(xué)科技“重塑肉身”-DB1，化身“三頭六臂哪吒”，逃避宿主的免疫系統(tǒng)消滅癌細胞。

偉大發(fā)現(xiàn)，“腫瘤細菌療法”問世

1868年，德國醫(yī)生Busch發(fā)現(xiàn)患有惡性腫瘤的患者在感染丹毒后（現(xiàn)在稱為化膿性鏈球菌），腫瘤病灶得到了相應(yīng)緩解。后來，外科醫(yī)生William B. Coley經(jīng)其啟發(fā)，用滅活細菌制成為人津津樂道的科利毒素（Coley’s Toxins）！

但在當時的年代，科利毒素的療效不可預(yù)測，后來興起的放療和化療以其可預(yù)測的療效被更多的醫(yī)生與患者采納，所以，細菌療法如曇花一現(xiàn)般匿跡在歷史中，無人再問津。不過當后人再次統(tǒng)計整理科利毒素的治療結(jié)果時，卻有了令人瞠目結(jié)舌的發(fā)現(xiàn)：科利毒素的療效與現(xiàn)如今的常規(guī)治療方法取得的成績旗鼓相當！

如今，合成生物學(xué)賦予了細菌更多功能和多樣化的診療能力，例如，通過對細菌基因重編程，合成“細菌機器”響應(yīng)環(huán)境信號、靶向腫瘤、釋放藥物等。但目前無論在學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界，都還沒有細菌制劑走向臨床。究其原因，是細菌溶瘤的機制不清、療效不佳。

具體而言，細菌在腫瘤內(nèi)“偏安一隅”，表明其逃避了機體的抗微生物免疫防御系統(tǒng)，但細菌抑制腫瘤卻說明了其激活了機體的抗腫瘤免疫系統(tǒng)。這樣一種看似“自相矛盾”的免疫反應(yīng)，背后的原因難以捉摸。

造物致知，我們合成抗瘤菌株“DB1”

為解析機制、揭開腫瘤細菌療法的神秘面紗，我們團隊以沙門氏菌為底盤細胞，成功構(gòu)建了一種能在腫瘤組織中高效存活并大量增殖、而在正常組織內(nèi)發(fā)生裂解并被快速清除的菌株(Designer Bacteria 1, DB1)。

惡性實體腫瘤中分布著復(fù)雜的脈管系統(tǒng)，就像“占山為王”的“土匪”，依賴新生血管源源不斷地掠奪給養(yǎng)。實體腫瘤中的血管大多走形扭曲，血液流通不暢，導(dǎo)致實體瘤內(nèi)環(huán)境缺氧，從而形成中心厭氧區(qū)。

正是利用這一點，研究團隊開發(fā)了能夠響應(yīng)氧氣濃度的啟動子來驅(qū)動細菌必需基因表達，確保細菌在正常組織（有氧環(huán)境）快速死亡，而在實體瘤內(nèi)（低氧環(huán)境）可以生存增殖。此外，研究團隊引入了來自李斯特菌的溶血素蛋白 Listeriolysin O，增強了細菌穿透腫瘤組織的能力。同時，為了降低沙門氏菌造成的生物安全風(fēng)險，研究團隊敲除了沙門氏菌的毒性基因。動物實驗顯示，DB1能在腫瘤中高效定殖并持久存在，而在正常組織中則迅速消失，證明其具有很強的腫瘤“靶向性”。

創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，細菌靶向腫瘤并非是“定向遷移”

正所謂“良禽擇木而棲”，細菌“靶向腫瘤”是如何實現(xiàn)的呢？大家普遍認為細菌是靠其自身的鞭毛主動“游”向腫瘤的。但是研究團隊發(fā)現(xiàn)，即便鞭毛被敲除，細菌仍然能夠選擇性地在腫瘤內(nèi)積累，這似乎暗示了細菌的靶向能力并非依賴其自身運動，而是源于其在腫瘤環(huán)境中的特異性定殖能力。

為了驗證這一猜想，團隊將定量合成生物學(xué)的概念方法和研究范式應(yīng)用到了這一研究中。研究團隊在對荷瘤小鼠尾靜脈給藥后的不同小時和不同天數(shù)間隔下，收集研磨小鼠主要器官和腫瘤樣品，通過在上千個細菌培養(yǎng)平板涂布后，證明了正常組織中活細菌的數(shù)量在細菌治療后的一周內(nèi)被清除殆盡，而腫瘤內(nèi)的活細菌數(shù)量在治療后2天內(nèi)增長了10倍（“偏好性生長”）。

厘清機制，細菌抗瘤的“致勝法寶”

研究團隊發(fā)現(xiàn)，合成菌株DB1在結(jié)腸癌、黑色素瘤、膀胱癌等多種動物實驗?zāi)Ｐ蜕希颊宫F(xiàn)了優(yōu)異的治療效果。透過現(xiàn)象看本質(zhì)，細菌的抗瘤療效究竟從何而來？是細菌本身像“微型炸彈”一樣“爆破”了腫瘤么？還是說細菌像“鬧鐘”一樣喚醒了“沉睡”在實體瘤內(nèi)的免疫細胞？

帶著這樣的疑問，研究團隊結(jié)合一系列定量實驗并構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，最終鎖定了細菌抗瘤的“致勝法寶”是免疫細胞因子白介素-10。

具體來說，團隊發(fā)現(xiàn)，腫瘤里的免疫細胞具有一種獨特的“氣質(zhì)”（分子表型），即相對于正常組織中的兄弟姐妹，它們的表面上存在更多的白介素-10受體。正是由于這個特性，細菌才能夠讓腫瘤內(nèi)的巨噬細胞產(chǎn)生更多的細胞因子白介素-10。“一把鑰匙一把鎖”，白介素-10與駐留在腫瘤內(nèi)的CD8+T細胞表面的白介素-10受體結(jié)合，激活了CD8+ T細胞發(fā)揮抗瘤功能。更有趣的是，細菌的天敵——中性粒細胞，也會像“貓鼠游戲”一樣，追逐細菌進入實體瘤，形成一個圍繞在細菌周圍的“中性粒細胞圈”，但卻“圍而不剿”，究其原因也是白介素-10。白介素-10讓中性粒細胞運動力下降，從而得以讓細菌借力白介素-10“免戰(zhàn)牌”躲過中性粒細胞的殺傷。

同時相反，正常組織中免疫細胞因為白介素-10受體水平低，細菌就無法讓巨噬細胞產(chǎn)生白介素-10，CD8+ T細胞也不會被激活，中性粒細胞的運動性也不會受抑制。因此，在正常組織中的細菌會被快速清除。

團隊近一步發(fā)現(xiàn)，腫瘤和正常組織白介素-10受體水平的差異特性是一種稱為“遲滯效應(yīng)”的定量規(guī)律造成的。這種現(xiàn)象能夠使免疫細胞對其之前經(jīng)歷過的白介素-10刺激留下“深刻印象”，即細胞經(jīng)歷高濃度白介素-10刺激后，即使白介素-10濃度下降，白介素-10受體的表達仍會保持在較高水平。

因此，細菌利用腫瘤內(nèi)免疫細胞白介素-10受體表達高，而正常組織內(nèi)的免疫細胞表達低的特性，化身“六臂哪吒”把原本平靜的實體瘤微環(huán)境攪得天翻地覆（由“抗瘤免疫抑制”轉(zhuǎn)向“抗瘤免疫激活”），又利用這一機制躲避“抗菌免疫先鋒”中性粒細胞的殺傷，上演了一出“我命由我不由天”的好戲。巧妙地實現(xiàn)了“既要靶向腫瘤，又要躲避免疫系統(tǒng)，還要殺傷癌細胞”的三重目標。

“雙輪驅(qū)動”，有望為惡性實體瘤患者帶來福音

此外，團隊發(fā)現(xiàn)這種“白介素-10受體高表達”的現(xiàn)象在人類不同癌癥患者的組織中都有所體現(xiàn)，即癌組織中的CD8+ T細胞白介素-10受體表達量高于對應(yīng)正常組織中的表達量。這說明了白介素-10遲滯效應(yīng)的普遍性，同時也為基于白介素-10的腫瘤免疫治療提供了新的理論依據(jù)和潛在策略。

目前，研究團隊正基于這一重要發(fā)現(xiàn)，設(shè)計并優(yōu)化新一代合成細菌療法，現(xiàn)正在向臨床實驗推進。通過突破性科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的“雙輪驅(qū)動”效應(yīng)，隨著對白介素-10遲滯效應(yīng)的深入解析，以及合成細菌療法在不同腫瘤類型和個體中的逐步研究，有望進一步完善細菌免疫療法，持續(xù)推動定量合成生物學(xué)在癌癥治療領(lǐng)域的發(fā)展。

出品：科普中國

作者：董宇軒（中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成所）

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