跨越100多年!细菌抗癌 正在复兴

2020-05-08 21:18:57 政府监管 1

1966年的电影Fantastic Voyage描述了一组科学家被缩小并进入一艘小潜艇,然后被注射到同事的血管中,清除其大脑中致命血块的奇幻故事。这部经典影片是过去几十年中许多富有想象力的生物影片中的一部。与此同时,科学家们一直在努力使类似的设想成为现实,即制造能在人体内漫游的微型机器人以检测和治疗疾病。

尽管具有纳米马达和自主导航机载计算系统仍然是虚构的素材,但研究人员已经设计并建造了大量用于诊断和治疗应用的微型纳米系统,特别是在癌症方面,这些系统可以被视为纳米机器人的早期原型。

自1995年以来,FDA已经批准了50多种纳米药物(大体上是一种包含药物的纳米装置)。如果这类药物具有一个或多个机器人特征,如传感、机载计算、导航或自身供能,则可以被称为纳米机器人。它们导向或优先聚集在肿瘤部位,只有在特定的触发条件下才会释放药物。

第一个被批准的纳米药物是Doxil®,一种脂质体纳米壳,携带化疗药物阿霉素。静脉注射的纳米壳优先在肿瘤中积聚,随着时间的推移缓慢地释放药物。从这个意义上说,纳米机器人的基本形式已经在临床上使用。

科学家可以通过控制纳米颗粒的形状、大小和组成,以改善肿瘤靶向性,而较新的系统则采用专门识别癌细胞的策略。尽管如此,精确的肿瘤定位仍然是纳米机器人研发的“圣杯”。

2016年的一项荟萃分析评估了过去10年在动物研究中测试的纳米运载工具的效能,结果显示,真正到达肿瘤部位的注射的纳米运载工具中位数小于1%,而这只能在主动靶向机制(如表面修饰有特异性抗体或多肽以结合肿瘤特异性受体)的作用下得到轻微改善。

怎样才能让这些纳米机器人更好地将自己引导到肿瘤部位?无线能源传输仍然是一个巨大的挑战,纳米级的电池效率不高。研究人员已经利用超声波或磁场等外力促进纳米药物向肿瘤组织的聚集,但循环系统的流体动力学对纳米传送工具有影响,其在血管系统的液体环境中航行时,可能像是在蜂蜜中移动一样。

不过一如既往,自然界可能有一个解决办法:细菌。微生物可通过螺旋状旋转纤毛或鞭毛的分子马达驱动其在流体中自主游动,这一有效的推进机制激发了许多试图模仿这种功能的纳米机器人学家的兴趣。例如,研究人员已经制造出螺旋状的磁性游泳机器人,它可以在旋转磁场的作用下向前旋转。但细菌不仅仅是一个优秀的游泳榜样,有些细菌本身就是治疗性的。此外,微生物可以感知生化信号并相应地调整它们的轨迹,类似于设想中的机载计算。

利用细菌治疗癌症的想法并不新鲜。最早关于细菌作为癌症治疗方法的报道之一来自免疫疗法先驱William Coley,他在19世纪末认识到一些有皮肤感染的癌症患者更有可能好转。他开始将细菌毒素、热灭活微生物,甚至链球菌的活培养物注射到不能手术的骨骼癌和软组织癌患者体内,往往能缓解症状。这是一种大胆的做法,因为在广泛使用抗生素之前,这些细菌制剂有可能造成无法控制的感染。很大程度上,因为这种危险以及放疗和化疗的兴起,细菌作为癌症治疗药物的临床应用一直没有发展起来。而今天,这一理念正在复兴。

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William Coley(图片来源:The Scientist)

从生物和化学到材料科学、工程和计算机科学等领域的融合,为癌症细菌疗法的发展开辟了新的途径。

携带抗癌物的细菌

卡介苗是一种减毒活菌苗,通常用于预防结核病,在过去几十年中被重新应用于局部治疗膀胱癌。这种方法背后的原理类似于Coley的假设,通过给病人注射细菌刺激病人的免疫系统来对抗癌症。

更可喜的是,尽管Coley不知情,许多细菌还能选择性地生长在实体肿瘤内,膀胱和其他地方。这是因为肿瘤的缺氧和酸性环境中免疫监控减少,为厌氧菌的生长和繁衍提供了安全的庇护所。在肿瘤内部,一些细菌产生毒素并与癌细胞竞争营养。最终,肿瘤内细菌的积聚会诱导免疫细胞浸润,进而导致抗癌反应。然而,尽管在癌症动物模型中测试了许多天然产生的和实验室制造的细菌菌株,并进行了细菌治疗癌症的人体试验,除了在膀胱癌患者身上观察到的益处外,研究人员几乎没有观察到其他疗效。

因此,这一领域转向对细菌进行基因设计使其作为重组药物载体。肿瘤中细菌的选择性靶向和随后的生长,以及微生物自身促进的局部疗法递送可以最大限度地减少全身性癌症治疗中常见的健康细胞的附带损害。一些研究小组已经改造细菌以生成多种物质,包括抗癌毒素、细胞因子和凋亡诱导因子。潜在毒性治疗药物的产生意味着必须进一步控制细菌,以防它们“降落”在不该“降落”的地方。因此,研究人员现在正朝着设计下一代细菌系统,以感知生理信号,并通过在局部疾病部位制造治疗药物来作出反应的方向前进。

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图片来源:The Scientist

为了帮助实现这一目标,在过去的二十年里,合成生物学领域发展了一套控制微生物行为的基因电路。这些电路由正反馈和负反馈基序组成,用于调节动态细胞功能,充当切换开关、振荡器、计数器、生物传感器和记录器等已被研究人员用来设计抗癌微生物的工具。

对抗癌细菌的基因控制的一个例子是,加州大学圣地亚哥分校的Jeff Hasty小组与麻省理工学院Sangeeta Bhatia实验室合作,于2016年开发了“同步裂解电路(synchronized lysis circuit)”。在这个电路中,细菌定位于肿瘤并生长到临界密度,然后同步破裂,释放出其产生的治疗性化合物。这种方法利用了细菌群体感应的优势,因为细菌只在肿瘤内达到临界密度,它们会自毁并释放其治疗药物,导致微生物种群减少,防止了肿瘤或其他地方细菌不受控制的生长。

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细菌炸弹(图片来源:The Scientist)

几个研究小组进一步发展了这种方法。例如,在2019年,科学家们创造了一种能产生阻断免疫检查点(如CD47或PD-L1,通常会抑制免疫细胞,从而降低抗肿瘤活性)分子的细菌。由于在肿瘤中阻断了这些途径,细菌能够在淋巴瘤小鼠模型中激发T细胞并促进肿瘤的清除。最令人惊讶的是,在治疗过的动物体内未经处理的肿瘤也会缩小,这表明局部治疗可能触发持久的远端抗肿瘤免疫。

利用细菌治疗癌症的方法开始引起生物技术公司的关注。一家名为BioMed Valley Discoveries的公司在几项临床试验中,一直在试验注射专性厌氧菌Clostridium novyi NT孢子。根据2014年的一份报告,在大鼠、狗和第一位患者身上,这种治疗显示出精确、有力和可重复的抗肿瘤反应。

另一家名为Synlogic的公司正在开发瘤内注射细菌,这种细菌被设计产生一种干扰素基因刺激因子(STImulator of INterferon Genes,STING),充当先天免疫激活剂。这些细菌被渗透到肿瘤中的抗原递呈细胞,在这些免疫细胞中,它们激活了STING通路,导致干扰素释放和肿瘤特异性T细胞反应。相关Ⅰ期临床试验正在进行中,以评估该疗法对难治性实体瘤,以及与检查点抑制剂联合使用的治疗效果。

这些试验结果将有助于指导工程细菌癌症疗法在安全性和有效性方面的进一步创新。例如,这些研究不仅将揭示治疗效果,还将揭示细菌在患者肿瘤中的定殖水平和分布、脱落以及遗传修饰随时间变化的稳定性。这些因素目前只在小鼠模型中进行了详细的研究,而一旦在人类身上进行了原理验证,就会大大推动最佳细菌菌株、有效荷载(药物)、电路和使用这些疗法的适当临床环境的确立。

遥控引导细菌靶向肿瘤

虽然研究人员正在成功地改造细菌以携带或生产抗癌化合物,但这些微生物中只有不到1%会自行到达肿瘤。由于大多数肿瘤不能通过直接注射到达,临床医生需要能够有效地将细菌疗法引导到肿瘤部位,使其在那里能可靠和可控地释放它们编码的药物。

这就是合成生物学受到微型机器人原理影响的地方。例如,大肠杆菌可以利用海洋微生物的基因进行改造,以感知和利用光能。2018年,爱丁堡大学的Jochen Arlt 和同事们证明,这种改造过的大肠杆菌可以通过空间模式的光场进行引导。作为对光照的响应,细菌移动到特定的位置,跟踪它们的位置,告知下一个光源输入,以引导它们沿着预定的路径前进。

同年,中国武汉大学的科学家利用光来增强大肠杆菌的代谢活性,方法是将半导体纳米材料附着在细菌表面,在光照下产生光电子,这引发了与细菌内源性硝酸盐分子的反应,使细胞毒性形式的一氧化氮的形成和分泌增加了37倍。在小鼠模型中,该疗法能使肿瘤生长减少80%。

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虽然光触导航和控制具有巨大的潜力,但光穿透组织的能力有限,阻碍了这种方法的发展。一种使用更广泛的外部能量形式是超声波,它在医学诊断和监测方面有着长期的应用。

近来,含气微泡由于其强烈而明显的声学响应,被用于增强组织超声图像的对比度。特殊形式的高功率聚焦超声被应用于治疗中,通过利用声压波作为外部能量将填充药物的纳米气泡推进肿瘤组织的深处。这种方法在胶质母细胞瘤中取得了特别有希望的结果,因为药物尤其难以克服血脑屏障。

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其他可以安全和远程应用于人体的常见外部能源是磁场。虽然磁共振成像系统已经在临床上应用了几十年,但磁导航和控制系统的发展仍然是相当新的。到目前为止,研究人员已经将这种方法应用于高精度手术中的磁导管引导。最著名的例子是来自St. Louis基于立体定向的心律失常治疗的NIOBE系统。一个磁性导管尖端精确地沿着异常的心脏组织移动,伴随电脉冲加热或冷却设备,以除去无效细胞。

在癌症治疗的背景下,使用类似的磁性仪器来引导细菌,是由一些研究磁性细菌的科学家提出的。20世纪70年代,马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的Richard Blakemore首次发现海洋微生物可以自然合成包裹在脂质壳中的氧化铁纳米颗粒,这种特性已经进化为通过感应地球磁场来帮助它们在水中导航。

大约40年后,Polytechnique Montréal纳米机器人实验室的Sylvain Martel和他的同事将这些趋磁细菌与Doxil®结合起来。Martel的研究小组也利用了肿瘤低氧环境容易成为厌氧菌宿主这一特性,将这种自然归巢机制与外部定向磁场结合起来,发现该疗法在小鼠肿瘤中的蓄积和渗透性增加。

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虽然这种趋磁物种在人体内的应用可能在未来几十年内出现,但在其他更具临床转化性或已测试过的细菌中编码磁感应可能是近期内可以实现的目标。一些参与在趋磁细菌中形成磁性化合物的复杂生物矿化过程的蛋白质已经被鉴定出来,在今年早些时候出版的一份预印本中,研究人员报告了工程大肠杆菌形成磁铁矿颗粒并能通过外部磁场控制它们。

使非磁性细菌受磁场控制的另一个途径是简单地将磁性材料附着在细菌上。研究人员已经将一种甚至多种细菌菌株与磁性微粒或纳米颗粒结合。当暴露在外部磁场中时,这些磁性粒子会随着磁场而定向,细菌也会随之定向,然后细菌会沿着这个方向移动。

2017年,德国斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所的Metin Sitti和同事将大肠杆菌附着在由化疗药阿霉素和微小磁性纳米颗粒构成的微粒上。利用培养皿中的癌细胞,研究人员证明他们可以用磁铁远程控制这些携带药物的细菌机器人,以提高肿瘤细胞的靶向性。

不管怎样,由外部能源提供触发、控制和引导的基因工程细菌是该领域一个极具吸引力的新方向。在合成生物学、机械工程和机器人学融合的推动下,这些新方法可能会让我们更接近制造出能寻找和消灭多种癌症的微型机器人的奇妙愿景。

参考资料:

1# Bacteria as Living Microrobots to Fight Cancer (来源:The Scientist)