撰文丨王聪
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
将合成生物学技术整合到基因工程细菌中，能够极大地提高其对肿瘤内部微环境或外部物理刺激的反应能力，使精细调控治疗基因的表达成为可能。 目前已开发出多种化学、物理和生物学方法，结合不同的启动子元件来调控这些基因工程细菌的基因表达。射线照射和光刺激也被用于构建基因表达模型，从而在活体动物中提供了较高的时空精度。然而，射线照射是电离的，可能会对照射路径中的正常组织造成损伤，而且由于对深部肿瘤的穿透性差。
严飞团队之前开发了一种亚低温响应基因回路，并将其整合到细菌中，实现了治疗性基因的时空可控表达，极大地提高了其安全性和有效性。但目前仍缺乏一种合适的方法来可视化这些基因工程细菌，让这些细菌定植在肿瘤部位用于成像引导声刺激。
2024年4月18日， 中国科学院深圳先进技术研究院合成所 严飞 研究员团队与南华大学附属长沙中心医院陈智毅教授团队合作（杨曜彰为第一作者），在 Cell 子刊Cell Reports Medicine上发表了题为： Ultrasound-visible engineered bacteria for tumor chemo-immunotherapy 的研究论文。
该研究构建了一种超声可视化工程细菌（Ec@DIG-GV），其内部含有声学报告基因和温控基因表达回路，表面修饰了化疗药物阿霉素（DOX）。这些工程化的肿瘤靶向细菌可以表达声学报告基因产生气体囊泡（GV），为聚焦超声（hHIFU）提供实时成像引导，使超声焦点能精准定位于肿瘤内的工程化细菌，诱导细菌在肿瘤局部表达和分泌IFN-γ。IFN-γ的产生不仅可以杀死肿瘤细胞，还可以诱导巨噬细胞从M2表型向M1表型极化，促进DC细胞成熟。此外，工程化细菌表面的DOX可在肿瘤酸性微环境中释放，导致肿瘤细胞免疫原性死亡。IFN-γ和DOX的共同作用激活肿瘤特异性T细胞反应，产生协同效应大大增强了抗肿瘤的效果。
该研究发展了一种在体可视化调控肿瘤靶向细菌基因表达的新策略，在细菌、免疫细胞、干细胞等活体细胞在体基因表达调控方面具有巨大的潜在应用价值。
目前，荧光成像（FI）、光声成像（PAI）、放射性核素成像（RNI）和磁共振成像（MRI）等多种成像技术通过标记外源性造影剂或内源性报告基因来显示细菌。通常，用于标记基因工程细菌的外源性造影剂不能随着细菌生长而增殖，导致难以长期监测这些细菌。
在过去的几十年中，许多基因编码的报告基因被开发出来，如用于光声成像（PAI）的光敏色素报告基因、用于荧光成像（FI）的荧光蛋白报告基因以及用于磁共振成像（MRI）的磁小体，使得在相对较长的时间内追踪这些基因工程细菌成为可能。尽管如此，这些成像方式仍不是引导声刺激在体内激活这些基因工程细菌的温控基因回路的最佳选择，FI和PAI的组织穿透能力有限，RNI和MRI均不能实现实时可视化。
相比之下，超声是一种广泛应用的成像方式，具有无创、无电离辐射、高组织穿透性和实时成像能力等优点。尤其当应用于激活温控基因回路时，它可以减少两种不同模式（成像引导和声刺激）之间的不匹配，明显比其他模式更适合引导高能声波对深部肿瘤进行精确定位。
最近，一种能够在细菌中产生气体囊泡（GV）的声学报告基因（ARG1）被开发出来，使超声能够对这些基因工程细菌在深部肿瘤中进行成像。
该研究通过在肿瘤靶向菌株大肠埃希菌MG1655中引入两个相容性质粒，一个携带ARG1报告基因，另一个携带温控基因回路，构建了一种基因工程菌——Ec@IG。ARG1由13个Gvp基因编码，可产生GV作为超声造影剂用于这些肿瘤靶向细菌的成像。温控基因回路能够响应高强度聚焦超声的42-45℃的温度并表达治疗性干扰素IFN-γ 。 为了增强抗肿瘤疗效，研究团队还通过化学连接的方式将化疗药物阿霉素（DOX）连接包裹在该细菌表面，获得了负载DOX的基因工程细菌——Ec@DIG-GV。
在荷瘤小鼠体内系统注射Ec@DIG-GV细菌后，通过超声造影成像可以观察到Ec@DIG-GV细菌在肿瘤中的位置，为引导高强度聚焦声波照射这些瘤内工程细菌提供了精确的定位。Ec@DIG-GV细菌经过42-45℃高强度聚焦超声（hHIFU）照射后，可表达和分泌IFN-γ杀伤肿瘤细胞，并刺激免疫细胞，包括巨噬细胞由M2型向M1型极化和树突状细胞（DC）的成熟。同时，DOX也可因酸性的肿瘤微环境从Ec@DIG-GV细菌中释放，进一步杀伤肿瘤细胞。树突状细胞的成熟和巨噬细胞极化，有利于免疫原性细胞死亡（ICD）产生的肿瘤抗原的提呈和肿瘤杀伤型CD4 + 和CD8 + T细胞的活化，实现协同抗肿瘤作用。
这项研究为细菌介导的肿瘤化学-免疫治疗提供了一个有希望的新策略。
论文链接：
https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(24)00181-2