声遗传学实现声控“生物炸弹”精准攻击肿瘤
合成生物学技术的快速发展为智能活体药物递送系统的开发提供了工具。近年来，已有许多控制细菌生长和基因表达的基因回路被构建出来，它们能够感知炎症、感染和肿瘤等疾病状态并作出反应【1】。特别是对于肿瘤，由于肿瘤微环境可降低免疫检测能力且厌氧微生物可在缺氧条件下生长，部分细菌具有肿瘤组织趋向定殖特性及天然的抑制肿瘤效果【2】，为抗肿瘤药物的递送提供了便捷的机会，是肿瘤活细胞药物工厂底盘细胞的良好选择。
然而如今微生物为底盘表达、输出药物蛋白大多数采用持续性表达或者小分子调控表达，功能蛋白的持续长期表达会对微生物的生长代谢和机体本身造成毒副作用，而化学小分子在体内扩散慢、分布不可控且不易撤离，无法实现远程、无痕控制生物过程。因此，亟需在微生物中开发出一种精准可控的、具有时空特异性和组织特异性的基因表达控制系统，使其能够在空间、时间上对功能蛋白的表达与释放进行精准调控，实现精准医疗。
近日，华东师范大学生命科学学院、上海市调控生物学重点实验室、医学合成生物学研究中心叶海峰团队在Cell Reports Medicine杂志上发表了题为Sonogenetics-controlled synthetic designer cells for cancer therapy in tumor mouse models的研究论文。该研究开发了一种新型的声遗传学控制的定制化细菌，能够在超声刺激下精确地控制抗肿瘤药物原位表达与按需释放，实现多种实体瘤的有效抑制。
超声作为临床上的重要手段，在超声成像、超声、超声热疗等方面得到广泛应用，为可控的基因和细胞治疗提供了安全的诱导方式【3】。叶海峰团队利用超声非侵入性、深层组织穿透性和时空特异性以及细菌的肿瘤靶向性，设计、构建了一种超声调控的基因表达系统（SINGER），将其上载至鼠伤寒沙门氏菌减毒株VNP20009中，用于可控的肿瘤细菌治疗（图1）。
图1 超声调控定制化工程菌的设计及其在肿瘤治疗中的应用
SINGER系统的设计基于沙门氏菌来源的温敏型转录抑制因子TlpA39和其特异性识别的人工合成的启动子PTlpA。简单地说，低强度的超声（0.5 W/cm2, 1:1脉冲）刺激可导致局部温度升高（39-40℃），诱导转录抑制因子TlpA39与启动子PTlpA的分离，从而激活基因表达。团队研究人员通过启动子工程和RBS筛选，实现了在超声诱导下的高效的基因表达和蛋白分泌，具有极低的背景噪音和高诱导效率。
图2 SINGER系统的设计与表征
接着，研究人员将工程化细菌通过瘤内注射或静脉注射的方式递送到小鼠体内。该工程菌可选择性地在肿瘤缺氧和坏死区域定殖与增殖，并通过超声诱导在肿瘤中原位释放凋亡蛋白Azurin，抑制肿瘤细胞增殖、激活凋亡信号通路，在黑色素瘤、结肠癌、淋巴瘤和肝癌等多种小鼠模型中有效抑制了肿瘤生长。
此外，该研究还探索了通过超声诱导工程菌同时释放凋亡蛋白Azurin和免疫检查点抑制剂PD-L1 nb，结合细胞凋亡诱导和免疫激活的双重机制，进一步增强了工程菌的抗肿瘤效果，展示了其潜在的免疫治疗协同作用。
综上，SINGER系统的开发不仅为癌症治疗提供了新思路，其高度的模块化和兼容性也使得这项技术有望应用于多种疾病的治疗。将来人们或许能利用这种超声控制的微生物疗法治疗代谢性疾病、炎症性疾病或感染性疾病，为患者提供更加个性化、非侵入性的治疗方案。
尽管当前技术仍面临着向深部或转移性肿瘤更精确递送的挑战，但随着研究的深入和相关技术的完善，超声控制的工程细菌疗法有望开辟精准医疗的新天地，为患者提供更精准、更安全的治疗选择。在不久的将来，超声控制的细胞“生物炸弹”有望成为抗击肿瘤的有力武器，为广大癌症患者带来新的曙光。
该论文的通讯作者为华东师范大学生命科学学院叶海峰教授和管宁子副研究员。2023届博士毕业生高天，2022级博士研究生牛灵雪和2023届博士毕业生武鑫为该论文的共同第一作者。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666379124001824
参考文献
1. Din MO, Danino T, Prindle A, et al. Synchronized cycles of bacterial lysis for in vivo delivery. Nature. 2016, 536: 81–85.2. Zhou S, Gravekamp C, Bermudes D, et al. Tumour-targeting bacteria engineered to fight cancer. Nat Rev Cancer. 2018, 1: 727–743.3. Farhadi A, Ho GH, Sawyer DP, et al. Ultrasound imaging of gene expression in mammalian cells. Science. 2019, 365(6460): 1469-1475.
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