华中科技大学朱艳红/张燕/杨祥良构建工程菌实现近红外纳米光基因激活的癌症免疫治疗

某些具有在肿瘤微环境中定殖能力的厌氧微生物倾向于以可持续的方式表达异源基因，这不可避免地影响肿瘤治疗效果并在体内诱导肿瘤外毒性。

2022年10月31日，华中科技大学朱艳红、张燕及杨祥良共同通讯在Advanced Materials 在线发表题为“Near-Infrared Nano-Optogenetic Activation of Cancer Immunotherapy via Engineered Bacteria”的研究论文，为了提高基于细菌疗法的精准度和可控性，该研究设计大肠杆菌Nissle 1917 (EcN)用于感知蓝光并释放编码的鞭毛蛋白B (flaB)，与镧系元素上转换纳米粒子(UCNPs)结合，用于近红外(NIR)纳米光遗传学癌症免疫治疗。

在808 nm光照射下，UCNPs在发蓝光并激活EcN分泌flaB，其随后与巨噬细胞膜上表达的Toll 样受体5结合，通过MyD88依赖性信号通路激活免疫反应。这种协同作用使不同肿瘤模型和转移性肿瘤中表现出显著的肿瘤消退，副作用可忽略不计。这一基于NIR纳米光遗传学平台的研究强调了利用光遗传学工具结合某些细菌的自然倾向进行癌症免疫治疗的合理性。

缺氧和免疫抑制微环境作为实体肿瘤的已知特征，被认为是抗肿瘤治疗的关键障碍。某些专性和兼性厌氧微生物优先在该区域内生长，这使它们成为递送抗肿瘤治疗剂的理想平台。不同于传统的纳米药物传递，基于细菌的药物载体可以设计出产生和释放药物的过程，这避免了繁琐的后纯化或传递保护的需要。然而，细菌有时可以在其自然生态位之外生长，导致脱靶治疗剂释放，这可能对正常组织产生严重毒性。因此，关键是“调节”细菌，以便在肿瘤部位精确和按需释放治疗剂，从而最大限度地减少副作用并提高抗肿瘤治疗效果。

诱导型或阻抑型基因表达系统的时空激活有助于精确的基因表达。理想情况下，对细菌进行编程，使其能够根据需要快速准确地在“开”和“关”状态之间切换，从而利用某些刺激感知并响应生理或病理状况。通常，外源化学诱导剂，如抗生素，用于实现活细胞中基因表达的人工控制。然而，残留的化学诱导剂很难去除，这限制了将基因表达精确控制在所需水平。光作为一种外部诱导剂，具有高度的时空控制能力、非侵入性和最小的细胞毒性。因此，光调控模块在控制分子或细胞行为方面吸引了广泛的关注。

光遗传学在技术上结合了光学和遗传学，可以快速激活/失活光敏蛋白，在神经活动的调节、基因转录和生物体内细胞过程的调节方面显示出巨大的潜力。光遗传学的应用大多是基于蓝光的控制系统，包括CRY2/CIB，VVD，EL222和磁体系统。这些光遗传学系统中的一个主要障碍源于蓝光(BL)对人体组织的穿透性差和潜在的光毒性。对于红移光，已经开发了一些红色/远红光响应的光遗传器件，如phyB/PIF1/SPA1， BphP1/PpsR和BphS，来控制转基因表达。然而，这些系统因其渗透能力较浅、制备过程相对复杂，生物体适用性仍然受到限制。

EcNflaB-UCNP抗肿瘤治疗和机制示意图（摘自Advanced Materials ）

镧系元素上转换纳米粒子(UCNPs)能够吸收近红外(NIR)光并将其转化为紫外或可见光，且无需在体内植入LED光源，提供了一种最低限度的、非侵入性的方法来激活在深层组织渗透的光敏蛋白质。该研究报道了第一个通过将大肠杆菌Nissle 1917 (EcN, 非病原性细菌)与UCNPs结合用于癌症免疫治疗的NIR光遗传激活平台。基因工程EcN通过用蓝光可激活的质粒转染来构建，用于表达鞭毛蛋白B (flaB)，flaB是一种有效的免疫激活剂，可以激活Toll样受体5信号通路，用于诱导先天和获得性免疫反应。

因此，全身给药后在808 nm NIR光照射下，UCNPs缀合的工程化EcNs优先在肿瘤中定殖，并局部激活和分泌显著水平的编码flaB。随后，flaB诱导肿瘤相关巨噬细胞的富集以及细胞毒性T细胞向肿瘤微环境的浸润。因此，该系统能够刺激抗肿瘤免疫并促进不同实体瘤模型和转移性肿瘤中的肿瘤消退。该研究为利用光遗传工具开发某些细菌用于癌症免疫治疗提供了一个近红外光激活平台。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202207198

转自：“iNature”微信公众号

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