给细菌装上纳米“武器” 合成生物学和光热纳米技术联合铸成新型抗瘤疗法

臧中盛 陈辅明


细菌对抗肿瘤的历史

放疗和化疗通常被认为是治疗肿瘤的首选良方,但这种无差别的杀伤会对人体造成不可逆的伤害,导致身体衰弱,免疫功能下降等诸多副作用。用细菌治疗肿瘤通常被认为是一种新兴的技术,而实际上,它已经有超过150年肿瘤治疗的历史,早于放疗和化疗的出现。

早在1813年,人们就发现细菌感染的病人身上,其肿瘤会缩小或消失。受到这种现象的启发,1863年德国医生Busch和他的同事尝试用化脓性链球菌感染肉瘤患者,并观察到肿瘤缩小。1891年,美国医生William Coley也报道了感染化脓性链球菌的患者身上肉瘤会缩小或消失。

由于早期多用活菌,病人往往产生严重的菌血症(细菌侵入血液),安全性差。为解决这一难题,Coley发明了“Coley’s toxins”(Coley毒素)菌剂, 使用灭活的化脓性链球菌和粘质沙雷菌的混合物为上千例肿瘤患者进行治疗,并取得了一定的疗效。但“Coley毒素”存在着效果不稳定、治疗方案难以标准化等缺陷。随着上世纪30年代放疗和化疗的兴起,细菌疗法逐渐被边缘化。

相比灭活细菌,活细菌特异的趋化性、深层组织穿透能力、检测和基因改造方便等特征使得其日益成为肿瘤治疗的理想载体。上世纪50年代开始,人们逐渐发现梭菌、双歧杆菌、李斯特菌、沙门氏菌、乳酸杆菌以及大肠杆菌等细菌具有不同程度的实体瘤定植能力。随着2000年合成生物学的兴起,工程化的理性设计和模块组装理念使得构建一个兼具靶向、安全和有效的抗肿瘤菌株成为可能。其中,目前以沙门氏菌用于肿瘤治疗的研究最为充分。


细菌和纳米颗粒在肿瘤治疗的尝试

一直以来,将活细菌用于肿瘤治疗存在着疗效和毒性难以平衡的困境。天然的沙门氏菌尽管在小鼠中具有很好的肿瘤杀伤效果,但毒性较大。为了降低副作用,人们通常使用营养不良或者经过基因敲除的菌株。

一种改造后的细菌:VNP20009是其中的典型代表,一期临床的试验结果尽管显示了其良好的安全性,但治疗肿瘤的能力和疗效均不理想。此外,利用合成生物学理念改造后的“厌氧靶向沙门氏菌”,尽管提高细菌了对实体瘤的针对性杀伤能力,但治疗效果依然欠佳。

随着纳米材料在医药领域发展迅速。改造对光和热敏感的纳米颗粒材料,通过外部施加红外激光照射直接杀灭癌细胞成为可能,但其在治疗的应用方面一直受限于靶向杀灭肿瘤能力不足、容易在体内被快速代谢等缺点。


用细菌装载纳米颗粒

为解决细菌和光热纳米材料在肿瘤治疗方面的瓶颈,中科院深圳先进技术研究院蔡林涛和刘陈立团队合作,利用合成生物学改造的厌氧靶向沙门氏菌作为载体装载纳米颗粒,将有机体(细菌)的定向优势和无机体(纳米颗粒)的药效进行结合,实现了光热纳米材料在肿瘤内的定向聚集和杀伤,为治疗实体肿瘤提供了新的思路。文章于2019年5月24日以“Nanophotosensitizer-engineered Salmonella bacteria with hypoxia targeting and photothermal-assisted mutual bioaccumulation for solid tumor therapy” 为题在线发表在Biomaterials上。

在该研究中,研究人员首先将吲哚菁绿(一种光敏材料)包裹在PLGA (poly lactic-co-glycolic acid)聚合物(一种有机酸)内部,形成直径约50纳米的颗粒。然后通过脱水缩合的化学反应,将纳米颗粒偶联到厌氧靶向的沙门氏菌表面。连接纳米颗粒后的细菌依然维持着活性和趋向性。将合成物静脉注射到荷瘤小鼠后,细菌携带纳米材料在肿瘤内大量聚集,用红外激光照射后,在肿瘤区域产生局部高温,肿瘤内聚集效果显著增强。

通过荧光染色显示,细菌和纳米材料主要分布在肿瘤的厌氧区,表明细菌携带纳米颗粒成功地靶向了肿瘤的厌氧区域。治疗效果方面,相对于细菌和纳米颗粒单独治疗的策略,联合疗法能够完全消除小鼠身上的肿瘤,且对主要器官没有明显损伤。

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图1. 沙门氏菌偶联光热纳米颗粒的过程和联合治疗的示意图


有机+无机=广谱疗效

由于项目中使用的有机体:合成沙门氏菌靶向肿瘤的厌氧区,而不同类型的实体瘤均存在氧气低浓度的区域,该策略有望应用于多种类型的肿瘤治疗。另外,研究采用的光敏材料:吲哚菁绿 本身也是荧光染料,在杀伤肿瘤细胞的同时,还能对其追踪并显示成像,使得治疗过程更加精准、可控。这种有机+无机的联合疗法巧妙地结合了有机体合成细菌和无机体光热纳米材料的优势,同时实现了精准靶向和药物投递,在抗肿瘤方面二者也产生了相互促进的效应。一方面合成细菌的靶向能力将纳米颗粒富集在厌氧区,另一方面纳米颗粒的光热效应也让细菌更多的聚集在肿瘤部位,两者产生的协同作用使肿瘤治疗更加高效。

中科院深圳先进技术研究院的陈辅明、臧中盛和陈泽为研究论文的共同第一作者;蔡林涛、刘陈立和郑明彬为共同通讯作者。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961219303230?via=ihub