精准爆破!科学家将细菌改造成“声控炸弹”攻击肿瘤

·声遗传学改造细菌疗法不仅限于癌症治疗,在代谢性疾病、自身免疫疾病及感染性疾病等其他病症领域同样展现出应用潜力。

肿瘤靶向治疗的精准突破

在癌症治疗领域,实现药物精准递送至肿瘤部位不仅能显著提高疗效,更能大幅降低对健康组织的毒副作用。然而,精准递送技术始终是医学界面临的重大挑战。近期,中国科研团队取得突破性进展,成功将细菌改造成可被超声波控制的”肿瘤靶向炸弹”,通过外部超声”引爆”机制实现精准药物释放。

创新研究登上国际期刊

这项具有里程碑意义的研究于2024年4月11日发表在《Cell Reports Medicine》期刊,由华东师范大学生命科学学院叶海峰教授领衔的科研团队完成。研究团队运用基因工程技术构建了一套新型基因表达系统,并将其植入减毒沙门氏菌,开发出可通过超声波远程调控的工程化细菌抗癌疗法。

声控开关的革命性设计

利用细菌作为生物工厂生产药用蛋白并非全新概念,科学家早已掌握通过基因插入技术指导细菌合成特定蛋白质。本研究的突破性创新在于引入了超声波响应”开关”——只有当外部超声波加热达到特定温度时,目标基因才会启动表达。

温度敏感调控机制

这一创新开关的核心是一种名为”TIpA39″的转录抑制因子。这类蛋白质能够阻断基因转录过程,而TIpA39的独特之处在于其温度敏感性:在低温环境(低于39摄氏度)下抑制基因转录,当温度升高时则自动分解失效,使基因表达得以顺利进行。

SINGER系统的精准控制

基于此原理,研究团队开发出名为”SINGER”(超声激活整合基因回路)的创新系统。该系统通过超声波精确加热技术,实现对工程细菌基因表达的精准调控。研究中,团队为该系统配备了天青蛋白(Azurin)和PD-L1纳米抗体(PD-L1 nb)两种治疗蛋白基因,分别通过诱导癌细胞凋亡和增强免疫识别双重机制协同抗癌。

动物实验验证疗效

在实验研究中,科研人员通过瘤内注射或静脉注射将改造菌株递送至小鼠体内。在超声波精确控制下,细菌内的治疗蛋白基因被成功激活,开始持续生产并释放抗癌药物。实验数据显示,该疗法能显著抑制肿瘤生长,甚至实现肿瘤完全消除。

专家深度解读

为深入解析声遗传学技术原理、超声波控制精度及癌症治疗前景,澎湃科技记者专访了该研究的共同通讯作者、华东师范大学生命科学学院副院长叶海峰研究员。

声控引爆!科学家改造细菌成“肿瘤炸弹”实现精准打击

华东师范大学生命科学学院叶海峰团队。受访者供图

【对话专家】

细菌改造技术与应用前景

澎湃科技:请介绍细菌改造的具体方法及当前应用领域?

叶海峰:我们通过合成生物学技术对VNP20009减毒沙门氏菌进行工程化改造,使其具备响应超声波刺激表达功能蛋白的能力。具体而言,我们开发了基于TlpA39热敏转录抑制子的超声激活基因回路,通过启动子、核糖体结合位点及分泌信号等基因元件的系统优化,实现了超声波介导的局部升温诱导蛋白质表达与分泌,且具备背景噪声低、诱导效率高的优势。

该技术目前尚处于实验研究阶段,但在疾病治疗领域显示出巨大潜力。在肿瘤治疗方面,通过超声调控定制化细胞(哺乳动物细胞或细菌)可实现抗癌药物在肿瘤区域的精准释放,提升治疗效果的同时降低对正常组织损伤。此外,该技术在肿瘤诊断领域也展现出应用价值。

声控引爆!科学家改造细菌成“肿瘤炸弹”实现精准打击

搭载SINGER系统的工程细菌在小鼠体内作用示意图。受访者供图

声遗传学原理与自然启示

澎湃科技:何为声遗传学?自然界是否存在声控生物系统范例?

叶海峰:声遗传学是融合合成生物学、遗传学与声波技术的新兴交叉学科,通过非侵入性声波技术实现生物系统特定基因的精准调控。该技术在生物医学基础研究及临床应用中极具发展潜力,特别是在神经元调控、肿瘤机制研究、声动力治疗及听力损伤修复等领域。

自然界中虽鲜有直接”声控”基因表达的现象,但存在生物响应环境声波影响行为或生理反应的实例。如蝙蝠、海豚通过声波回声定位导航捕食,部分昆虫利用声波进行求偶或危险预警,某些植物也能对外界声波产生生理响应而改变生长特性。

SINGER系统精准度解析

澎湃科技:SINGER系统的控制精度达到何种水平?

叶海峰:SINGER系统是通过超声波介导温度刺激实现基因精确表达的集成基因回路。该系统利用温度敏感性TlpA39转录抑制子实现调控:当温度低于39°C时,TlpA39二聚体与合成启动子PTlpA结合阻断基因转录;温度升至39°C以上时,TlpA39蛋白解聚并脱离PTlpA,启动目标基因表达。通过调节超声波强度与作用时间,可精确控制温度参数,进而实现治疗蛋白表达的时空调控。

系统精准性体现在三个维度:基因表达即时响应能力;通过启动子工程和RBS优化实现背景噪声最小化;利用声波聚焦特性实现组织特异性治疗。

工程细菌抗癌机制解析

抗癌蛋白作用机理

澎湃科技:Azurin与PD-L1纳米抗体如何发挥抑癌作用?

叶海峰:SINGER系统激活后释放的azurin和PD-L1纳米抗体通过不同机制协同抗癌。

Azurin是从铜绿假单胞菌中分离的天青蛋白,能穿透癌细胞膜诱导细胞凋亡。其通过与癌细胞表面特定分子互作,干扰细胞内信号传导通路。目前该蛋白主要处于基础研究与临床前试验阶段。

PD-L1纳米抗体是靶向程序性死亡配体1的小型抗体片段。肿瘤细胞通过表面PD-L1蛋白与T细胞PD-1受体结合实现免疫逃逸。PD-L1 nb通过阻断该相互作用,重新激活T细胞免疫应答,帮助免疫系统识别清除肿瘤细胞。PD-L1抑制剂已在临床肿瘤免疫治疗中广泛应用。

与传统疗法比较优势

澎湃科技:与CAR-T细胞免疫疗法相比,本研究有何特色?是否存在结合可能?

叶海峰:声遗传学改造细菌疗法相较于CAR-T具有独特优势:细菌基因元件更易操作,且具备扩增培养简便的特点,在时间与经济成本方面更具优势;相同细菌载体和治疗基因适用于不同患者,具备普适性;结合细菌肿瘤定植特性与超声波时空特异性,实现药物在靶区的实时按需释放;工程细菌可作为持续生产多种治疗蛋白的活体工厂,通过协同效应增强疗效。

工程细菌疗法与CAR-T细胞疗法结合可能形成更全面的抗癌策略。例如利用工程细菌的局部治疗优势增强CAR-T细胞靶向性,或实现局部免疫刺激;工程细菌还可作为体内生物反应器直接产生CAR-T细胞所需信号分子,支持其在肿瘤微环境中的存活与功能。两种疗法融合有望开辟更精准、高效且安全的癌症治疗新途径。

未来应用与挑战

澎湃科技:声遗传学改造细菌疗法还有哪些潜在应用?面临哪些技术挑战?

叶海峰:除癌症治疗外,该技术在代谢性疾病、自身免疫疾病及感染性疾病等领域同样具有应用前景。例如可通过超声调控工程细菌原位产生释放激素、酶制剂或抗炎物质,改善代谢紊乱或治疗肠道炎症;当发热为主要症状时,可编程工程菌产生释放抗炎因子或抗菌肽。

为实现更有效的临床应用,未来需重点优化细菌载体的安全性与生物相容性,确保工程菌在体内保持功能活性;提升声波穿透深度与控制精度;针对特定治疗场景优化超声设备设计,开发便携式设备,推动该技术在个性化、非侵入性治疗中的广泛应用。

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