Advanced Science:一种能够精准抗肿瘤且具有动态毒性调节系统的可编程细菌

学术   2025-01-20 07:42   北京  

研究背景

工程菌介导的抗肿瘤方法已被认为是治疗癌症最有前途的免疫疗法。然而,脱靶细菌的毒性缩小了治疗的可能性,但是细菌的优点在于肿瘤内的可控免疫原性,可实现更安全的抗肿瘤应用。这些细菌优先积聚在肿瘤内,主动穿透肿瘤组织,同时可以进行基因改造,在原位产生抗癌药物。尽管基于细菌的肿瘤治疗在生物医学应用方面显示出巨大的潜力,但其相关的副作用限制了能够允许的最大剂量,阻碍了治疗达到预期结果,并最终导致多项临床试验终止。

论文信息简介

2024年,Advanced Science上发表了一篇题为“Programmable Bacteria with Dynamic Virulence Modulation System for Precision Antitumor Immunity”的文章,研究者们提出了一种以肿瘤特异性细菌免疫原性恢复为基础的微生物疗法,该疗法结合了群体感应调节系统和新型减毒沙门氏菌底盘菌株二者的优势,可用于精确的抗肿瘤治疗。具体而言,与 VNP20009 菌株相比,通过细菌转录组分析和 CRISPR 筛选获得的减毒沙门氏菌 ΔhtrA-VNP(命名为 AIS)菌株生物毒性大大降低,同时保留了较高的肿瘤内富集度。底盘菌株与调节蛋白质表达的群体感应系统整合,获得了一种新的工程化细菌AISI-H,它可以在 HTRA 蛋白重新表达的基础上恢复肿瘤特异性细菌免疫原性。这种设计优先考虑了安全性,同时保留了强大的抗癌功效,展示了其潜在的生物医学应用前景。

正文介绍

基于CRISPR的基因敲除筛选发现 htrA是沙门氏菌介导的生物毒性的关键调控因子

沙门氏菌在巨噬细胞内长期存活会导致持续的宿主不良反应(图 1A)。分析沙门氏菌被巨噬细胞吞噬后上调的基因,以确定导致沙门氏菌抵抗巨噬细胞介导杀灭的关键基因(图 1B)。基因本体(Gene Ontology,GO)分析显示,与周质空间有关的基因发生了显著变化(图 1C),其中以 cpxP、htrA、dsbA 和 mlgB 最为常见(图 1D)。推测这四个基因与沙门氏菌在巨噬细胞中的存活直接相关。为了验证这一假设,使用 CRISPR 技术构建了基于 VNP20009 的相应缺失突变体,其中VNP20009 是用于临床抗肿瘤试验的经典减毒沙门氏菌菌株。野生型 VNP(WT-VNP)菌株能在巨噬细胞内有效存活(图 1E),这与之前的报道一致。四种基因缺陷菌株在巨噬细胞内存活率都大幅下降,其中ΔhtrA-VNP 菌株的下降最为显著(比 WT-VNP 菌株低 79.2%)(图 1E)。巨噬细胞依靠酸性(H+)和活性氧(ROS)来消灭细胞内的细菌。与巨噬细胞内存活率降低相一致的是,这些缺陷菌株对酸性和氧化应激的抵抗力也有所下降(图 1F)。
这些结果表明,A htrA-VNP(命名为AIS)可以用作与WT-VNP菌株类似的底盘菌株,因为前者具有更好的生物相容性和安全性,可能是一种更有前途的抗肿瘤生物制剂。
图1 抗肿瘤生物制剂ΔhtrA-VNP的发现与验证

AIS菌株与遗传优化的QS系统结合实现肿瘤特异性蛋白质表达

群体感应(QS)调节是一种细菌密度介导的靶基因表达生物调节策略,已被证明在基于细菌的肿瘤内特异性药物输送中是成功的。AIS菌株具有高肿瘤内滴度,非常适合QS系统实施(图2A)。QS系统启动与细菌产生的自诱导物(AI)信号分子的水平相关,其中LuxI和LuxR是关键蛋白质。将LuxI和LuxR基因插入细菌基因组中空的htrA基因位点,获得了ΔhtrA::LuxI-VNP(命名为AISI)和ΔhtrA::LuxR-VNP(命名为AISI)菌株(图2F)。接下来,将含有LuxI启动子和红色荧光蛋白(RFP)基因的指示性载体导入这些菌株中。AIS-pLuxI-RFP菌株在RFP表达之前达到一定的密度,这与之前的报道一致。鉴于其敏感性较高,选择底盘菌株AISI进行后续研究,这可能归因于AHL(LuxI的产物)合成增加。荧光成像表明,在相同密度下,AISI-pLuxI-RFP菌株中的RFP表达高于AIS-pLuxI-RFP菌株中的RFP表达(图2 I)。
使用携带LuxI启动子和荧光素酶操纵子LuxCDABE的菌株来评估这种新型QS系统的体内效率。将工程菌株腹膜内注射到H22肿瘤小鼠中,这是细菌介导的抗肿瘤研究的另一种经典小鼠模型。荧光显微照片证实AISI-pLuxI-RFP菌株在肿瘤内表现出更强的荧光,这与体外结果一致(图2 I)。这些结果重申了AISI菌株的QS起始效率优于AIS菌株,并有助于增加目标蛋白的产量。
图2  ∆htrA::LuxI-VNP (AISI) 能更灵敏地表达QS介导的肿瘤特异性蛋白

工程菌株AISI-pLuxI-htrA通过QS介导的HTRA表达恢复了免疫原性

理论上,这种菌株可以恢复肿瘤特异性免疫原性(图3A,B)。组成型表达htrA的AISI-pJ23100-htrA菌株用作阳性对照。蛋白质印迹分析证实HTRA水平随着应变密度的增加而增加(图3C)。HTRA拯救菌株的生物膜含量与VNP-NC菌株的生物膜含量没有显著差异(图3D)。AISI-pLuxI-htrA菌株的外多糖层厚度和EPS含量大于AISI-NC菌株,并且与VNP-NC菌株没有显著差异(图3E,F)。

这些结果表明基于QS系统的HTRA再表达将AISI株的EPS恢复到接近VNP株的水平。此外,在酸性和氧化条件下,AISI-pJ23100-htrA菌株的生长曲线与VNP-NC菌株相似。AISI-pLuxI-htrA菌株的生长也类似于VNP-NC菌株的生长,因为在封闭培养环境中,随着时间的推移,自动诱导剂累积会诱导菌株活化。最后,AISI-pLuxI-htrA菌株恢复了接近VNP-NC菌株的细胞内活力。与AISI-NC菌株相比,AISI-pLuxI-htrA菌株更显著地促进了M0型巨噬细胞分化为M1型巨噬细胞和重塑的M2型巨噬细胞(图3G,H)。前者的有效激活作用可能源于细菌EPS通过巨噬细胞上的经典TLR4-NFkB信号轴的刺激。此外,与AISI-NC菌株相比,该菌株增强了嗜中性粒细胞的NETs和活性氧的产生(图3G)。总之,这些结果表明HTRA修复逆转了AISI菌株的应激抗性、免疫细胞活化能力和直接肿瘤细胞杀伤能力。

图3  QS介导的HTRA表达使工程菌株AISI-pLuxI-htrA恢复了免疫原性

AISI菌株基于QS系统的肿瘤特异性HTRA再表达确保了生物安全性和转移至远端肿瘤的能力

全身注射可以让细菌快速方便地到达体内各个肿瘤区域。然而,这种给药方法仍然存在挑战,因为正常器官中菌株的积累会引发急性炎症反应。由于AIS菌株的EPS含量较低,它们抵抗巨噬细胞清除的能力较弱,使得在正常器官的完整免疫监测环境中生存更具挑战性,理论上显著降低了不良反应的风险。此外,AIS菌株在正常器官中的滴度没有达到QS系统的反应阈值,导致正常器官中没有启动靶蛋白表达。
因此,通过避免健康组织中的过度免疫激活,AISI-pLuxI-htrA株可能具有与AIS株相似的高生物安全性。在两个模型中,AISI-pLuxI-htrA毒株均表现出与AISI-NC毒株相当的安全性,避免了治疗过程中的快速体重减轻,并且不会导致急性脾或肝毒性。这些数据表明AISI-pLuxI-htrA菌株是一种安全的抗肿瘤细菌菌株。

AISI菌株整合了AIS菌株和优化的QS触发器,诱导仅在肿瘤中存在的高密度集落中的蛋白质表达,同时保留在非肿瘤区域。然后,我们使用QS系统在AISI菌株(AIS-pLuxI-htrA,AISI-H)中进行HTRA的肿瘤特异性再表达,以激活细菌免疫原性,从而成功实现细菌介导的抗肿瘤治疗的有效性和生物安全性。
细菌介导的抗肿瘤疗法的剂量限制性毒性是一个长期的挑战。虽然活细菌混合物和野生型沙门氏菌已被证明会导致人类肿瘤感染和退化,但感染的潜在风险限制了这种策略的复制。基因修饰的减毒菌株为这一困境提供了解决方案,尽管如临床试验所示,其效力降低并且存在具有脱靶毒性的菌株。在这项研究中,通过敲除VNP20009基因组中的htrA 基因解决了这个问题,从而创造了一种更安全的底盘菌株(ΔhtrA-VNP)。

参考文献:
[1]  Wu L ,Li L ,Qiao L , et al.Programmable Bacteria with Dynamic Virulence Modulation System for Precision Antitumor Immunity.[J].Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany),2024,11(36):e2404069.
来源:Bio Commu
         
主编微信
商务合作,重要事宜
注:添加微信请备注昵称+单位+研究

生命科学综合交流QQ群:681341860
微信学科群:病毒学群,神经科学群、临床医学、肿瘤学科群、硕博交流群和医药投资交流群(微信群审核要求较高,请各位添加赵编后主动备注单位研究方向)

生命科学前沿
以病毒学为特色,探讨生命科学前沿,普及生命科学知识。生命科学之家!
 最新文章