在癌症治疗中，将药物准确递送到肿瘤位置不仅能够提升治疗效果，也能够减少很多药物对正常人体组织的毒性。然而，如何实现准确递送是医学界的一大难题。近日，中国科学家在一项研究中成功将细菌改造成一种针对肿瘤的“声控炸弹”，能够在到达肿瘤位置时通过外部超声波“引爆”，释放药物发动攻击。
这项研究于2024年4月11日发表在 Cell Reports Medicine 上，作者是来自华东师范大学生命科学学院的叶海峰团队。在该研究中，研究者通过基因工程技术设计构建了一套基因表达系统，并将其安插到一种沙门氏菌体内，制作出一种可以用超声波从外部加以控制的工程细菌来治疗癌症。
把细菌当作“工厂”来生产药用蛋白质并不新鲜。科学家们可以通过将目标基因插入细菌本身的基因之中，来“指挥”细菌生产想要的蛋白质。而该研究的亮点在于研究者们在这些基因上加上了一个声控“开关”——只有当在外部使用超声波加热到一定温度时，这些基因才会表达。
这一“开关”实际上是一种被称为“TIpA39”的转录抑制因子。所谓转录抑制因子，是指能够阻止基因转录进而阻止表达的一类蛋白质。而TIpA39的神奇之处在于它在温度比较低（小于39摄氏度）时才会阻止基因转录，而温度升高时它则会分解失效，使转录得以继续。
有了这个因子的帮助，这套被作者们称为“SINGER”（Sono-activatable Integrated Gene Circuit，“超声激活整合基因回路”）的系统就能够通过超声波精确加热来控制工程细菌的基因表达。在该研究中，研究人员们为其配备的治疗蛋白质基因是Azurin（天青蛋白）与 PD-L1 nb（PD-L1纳米抗体），这两种物质分别从引导癌细胞凋亡和增强免疫识别的角度来治疗癌症。
在该研究中，研究者们将这种改造过的细菌通过瘤内注射或者静脉注射的方式递送到小鼠体内。在超声波的控制下，这些细菌内的药物蛋白基因被激活，开始生产并释放治疗药物。初步实验显示，小鼠的肿瘤生长被显著抑制，甚至被彻底清除。
什么是声遗传学？通过超声波控制细菌能有多精准？这种疗法在癌症治疗中的前景如何？为了回答这些问题，澎湃科技记者采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、研究员叶海峰。
【对话】
改造细菌搭载声控“开关”
澎湃科技：能否介绍一下科学家是如何改造细菌的？目前都应用在哪些领域？
叶海峰（华东师范大学生命科学学院副院长、研究员）：研究中，我们通过合成生物学技术改造了一种名为VNP20009的减毒沙门氏菌，使其能够响应超声波的刺激来表达和释放功能蛋白。
具体来说，我们开发了一个基于热敏转录抑制子TlpA39的超声激活集成基因回路（SINGER），通过对启动子和核糖体结合位点、分泌信号等基因元件的筛选与优化，实现了在工程细菌中通过超声波介导的局部升温诱导蛋白质表达和分泌，且具有最小的背景噪声和高诱导效率。
这种技术目前虽仍处于实验研究阶段，但是在医疗和治疗疾病方面显示出巨大的潜力。如在肿瘤治疗领域，通过超声调控定制化的细胞（哺乳动物细胞或细菌）精确控制抗癌药物在肿瘤特定区域内释放，以增强治疗效果并减少对正常组织的损害。此外，目前也有研究利用该技术进行肿瘤的诊断。
澎湃科技：研究中所使用的“SINGER”系统由声波所控制，让人感觉十分神奇。能否介绍一下“声遗传学”？自然界中有哪些用声音控制生物系统的例子吗？
叶海峰：“声遗传学”（Sonogenetics）是一个相对较新的研究领域，它结合了合成生物学、遗传学和声波技术，通过非侵入性的方式使用声波来控制生物系统中特定基因表达。声遗传学在生物医学基础研究与临床应用等领域极具发展潜力，尤其在神经元调控、肿瘤机制研究、声动力治疗及听力损伤等方面。
自然界中，直接使用“声波控制基因表达”的现象虽不常见，但在动物界中可以观察到一些生物响应环境中的声音来影响行为或生理反应的现象。例如，蝙蝠和海豚等使用发出的声波进行回声定位来导航和捕食，某些昆虫使用声波来吸引配偶或警告同伴可能的危险，某些植物能够对外界的声波做出生理反应而改变生长方向或速度等。
澎湃科技：能否介绍一下SINGER系统？文中提到它可实现相当精确的控制，能精确到什么程度？
叶海峰：SINGER系统是一种超声激活的集成基因回路，它能够在超声波介导的温度刺激下精确控制基因的表达。在我们的研究中，SINGER系统通过温度依赖的TlpA39转录抑制子来实现对基因表达的控制。在低于39°C时，TlpA39二聚体结合到合成的启动子PTlpA上，阻止下游基因转录；当温度升高到39°C时，TlpA39蛋白解聚从PTlpA上解离，从而允许目标基因的表达。通过调整超声波的强度和刺激时间，实现对温度的调控，进而能够精确控制基因表达的时间和水平，实现对治疗蛋白质表达的精确控制。
基因表达的精确控制体现在以下几个方面：①基因表达的即时性：通过超声波介导的温度变化，SINGER系统能够迅速启动或关闭目标基因的表达。②背景噪声最小化：通过启动子工程和核糖体结合位点（RBS）筛选优化，SINGER系统能够在无超声波刺激的情况下产生极低的背景基因表达，从而减少非特异性效应和潜在的副作用。③空间特异性：由于声波可以聚焦到身体的特定部位，SINGER系统可以实现在特定组织或器官中控制治疗蛋白释放，减少对其他部位的影响。
利用工程细菌精准抗癌
澎湃科技：本研究中，SINGER系统被激活后会释放azurin/PD-L1蛋白质。这两种蛋白质是为什么具有抑制肿瘤的效果？
叶海峰：在我们的研究中，SINGER系统被激活后会释放azurin和PD-L1纳米抗体（PD-L1 nb）。
azurin是一种从铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中分离出的天青蛋白，能够进入癌细胞并诱导其凋亡。它能够与癌细胞表面的特定分子相互作用，进而干扰癌细胞内部的信号传导路径。当前，azurin 主要处于基础研究和临床前试验阶段，尚未成为标准的临床治疗方法。
PD-L1 nb是一种靶向程序性死亡配体1（PD-L1）的小型抗体片段。PD-L1是许多肿瘤细胞表面表达的一种蛋白质，它通过与免疫系统中T细胞上的PD-1受体结合，可以使肿瘤细胞“隐身”逃避免疫系统的攻击。通过阻断PD-L1与PD-1之间的相互作用，PD-L1 nb能够重新激活T细胞介导的免疫反应，从而帮助免疫系统识别并消灭肿瘤细胞。PD-L1抑制剂已经被广泛用于临床治疗多种类型的癌症，尤其是在免疫疗法领域，表现出了显著的治疗效果。
澎湃科技：与Car-T为代表的细胞免疫疗法相比，你们的这项研究有什么特点？有结合的可能吗？
叶海峰：与Car-T细胞免疫疗法相比，本研究中的声遗传学改造细菌疗法具有一些独特的特点。首先，由于细菌的基因元件的易操作性，以及细菌自身易于扩增培养等特点，相较于Car-T，会有更低的时间和经济成本。其次，相同的细菌载体和治疗基因可以用于多个患者，无需针对个体进行特别定制，具有普适性。同时，利用细菌肿瘤特异性定植的优势和超声波时空特异性的特点，SINGER系统可以实现药物在目标肿瘤区域实时、按需释放，提高了治疗的灵活性和安全性。此外，工程细菌作为药物工厂，可以持续产生多种治疗蛋白质，协同增强治疗效果。
工程细菌疗法和CAR-T细胞疗法的结合可能为癌症治疗提供一个全面的治疗策略。例如，利用工程细菌的局部化治疗优势可以增强Car-T细胞的靶向性或实现局部免疫刺激，增强疗效的同时降低系统性副作用。此外，工程细菌还可以作为生物反应器在体内直接产生CAR-T细胞所需的信号分子，提供一种更为直接和高效的方式来支持CAR-T细胞在肿瘤微环境中的存活和功能。总之，这两种疗法的结合可能会开辟新的癌症治疗途径，使得治疗更加精准、有效，同时也更安全。
澎湃科技：声遗传学改造细菌疗法还可能用于治疗哪些疾病？还有哪些难题需要攻克？
叶海峰：声遗传学改造细菌疗法除了用于治疗癌症之外，还有潜力用于治疗其他疾病，如代谢性疾病、自身免疫疾病、感染性疾病等。例如，可以通过超声介导的局部升温调控工程细菌原位产生和释放激素、酶或抗炎剂，以改善代谢紊乱或治疗肠道炎症。此外，当发热是主要症状时，工程细菌可以被编程来产生和释放抗炎细胞因子或抗菌肽。
要实现更有效、更广泛的疾病治疗应用，未来的研究还需继续优化细菌载体的安全性和生物兼容性，确保工程细菌在体内能够有效生存并长期保持其功能性；提高声波穿透深度和精确度，以精准调节其强度和可控性；针对特定治疗优化超声设备的设计和使用方式，开发便携式的声波设备，以推进这项技术在个性化、非侵入性治疗中的广泛应用。
