精准制导细菌，定点定时“药死”肿瘤，天才想法进展如何?

这是《肠道产业》第 243 篇文章

编者按：

人工智能的兴起促进了生物医学领域预测诊断的发展，而另一高歌猛进的领域——机器人技术同样也推动了生物医学诊疗手段的进步。

当然，我们今天要说的不是医院里引导人们就诊、问询的机器人，而是一种可以注入到体内发挥治疗作用的纳米级机器人。实际上，在癌症领域，纳米级机器人已经有了初步的应用，但是人工制造的许多纳米药物靶向性和精准性仍有待提高。

而解决这一问题的最好手段就是将合成生物学和机器人技术结合，利用这两个领域的先进技术对微生物进行改造，将其变成新型的纳米级机器人与肿瘤战斗。

今天我们特别编译发表在 The Scientist 杂志关于改造细菌治疗肿瘤的文章。希望该文章能够为相关的产业人士和读者带来一定的启发与帮助。

纳米机器人用于临床治疗

在 1966 年上映的科幻电影《神奇的旅程》中，几位科学家被缩小成原来的几百万分之一并将他们置于水中，然后注射进一位患者的体内进行血管手术，以清除患者大脑里致命的血块。这部经典电影是过去几十年里许多登上大银幕的充满想象力的生物旅程之一。

与此同时，科学家们一直在致力于将类似的设想变成现实: 利用微型机器人漫游人体，以实现探测和治疗疾病的目的。

虽然拥有纳米马达和可自主导航的机载计算机系统，仍然是电影中虚构的素材，但是，研究人员们已经设计并成功构建了大量可用于诊断和治疗的纳米级别的系统，尤其是在癌症领域，这些系统可以被视为纳米机器人的雏形。

自1995年以来，美国食品和药物管理局（FDA）已经批准了 50 多种纳米药物（基本上是某种包含药物的纳米级别的设备）。

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、导航或自动供电等，那么，科学家们就可能会将其称为纳米机器人。它可能是一种纳米级别的载体，可携带药物，并导航到或优先聚集在肿瘤部位，且只有在特定的触发条件下才会被打开并释放药物。

第一个被批准的纳米药物是 DOXIL，它拥有纳米级别的脂质体外壳，可携带化疗药物阿霉素。它非选择性地杀死细胞，通常被用于治疗一系列癌症。由于血管系统的渗漏和淋巴系统的引流不畅，经静脉给药的纳米壳层会优先在肿瘤部位形成积聚。在那里，随着时间的推移，纳米颗粒会缓慢地释放出药物。

从这个意义上说，纳米机器人的基本形式已经应用于临床。

图.鼠伤寒沙门氏菌

如何精确导航到肿瘤？

科学家可以操纵控制纳米颗粒的形状、大小和组成，以提高肿瘤靶向性，而较新的系统则采用专门识别癌细胞的策略。然而，精确导航到肿瘤位置，仍然是纳米机器人研究和发展的一个可望而不可及的目标。

2016 年的一项荟萃分析对过去 10 年里动物研究中使用到的纳米设备的传输效率进行了评估。他们发现，实际上只有平均不到 1%的注射性纳米传输设备最终到达了肿瘤部位, 而这种低下的传输效率，只能利用主动靶向机制进行修饰才能得到轻微的改善，例如用特异性抗体或肿瘤特异性受体结合肽去修饰纳米设备的表面。

我们怎样才能让这些纳米机器人更好地进行自我控制并成功到达肿瘤的位置呢？

能量传输是一个巨大的挑战，电池在纳米尺度上并不高效。

研究人员们尝试利用超声波或磁场等外力，来促进纳米药物对肿瘤组织的精确制导，但循环系统的流体动力学对纳米设备来说，却会起到相反的作用，因为纳米设备的表面积与体积之比是米级别的物体的 10 亿倍，这使得表面受到的阻力加强了: 对于纳米颗粒来说，当它在血管系统的液体环境中航行时，可能会感觉像在蜂蜜中移动一样。

对此，大自然可能为我们提供了一个解决办法: 细菌。在液体中，微生物在分子马达的驱动下自主游动，并且它们的纤毛或鞭毛以类似软木塞的方式旋转——这是一种非常有效的推进机制，激发了许多纳米生物学家的灵感，他们试图模仿这种功能。

例如，研究人员们已经制造出了螺旋形的磁性游泳器，它可以通过旋转磁场的方式向前旋转。

但细菌，尤其是在治疗癌症方面，不仅仅是高效“游泳”的好榜样，有些细菌甚至本身就具备着治疗作用。此外，微生物还可以感知来自外部环境中的生化信号，并相应地调整它们运动的轨迹，这与我们所设想的机载计算系统非常的类似。

利用细菌来治疗癌症的想法，并不新鲜。最早将细菌作为癌症治疗手段的研究之一，来自于免疫治疗的先驱 William Coley，他在 19 世纪晚期就意识到，一些癌症患者如果同时患有皮肤感染，那么，他们病情好转的可能性会更大。

于是，他开始向患有无法实施手术治疗的骨癌和软组织癌的病人注射细菌毒素、热灭活的微生物，甚至是活的链球菌培养物，而这些举措通常会带来病情的缓解。

这是一种大胆的方法，因为在抗生素广泛使用之前，这些细菌配方可能会导致无法控制的感染。在很大程度上是由于存在这种危险，以及放射疗法和化疗这两个新兴概念表现出很好的前景，所以，细菌作为癌症治疗剂的临床应用进展缓慢。

今天，这种革命性的想法正在经历着复兴。

由于生物学、化学、材料科学、工程学和计算机科学等学科领域的融合，癌症细菌疗法的新途径正在开辟。得益于 DNA 测序和合成成本的降低，以及类细菌行为的定制遗传设计的合成生物学方法的建立，这些工具包将为微纳米机器人这一新兴领域的发展铺平道路。

图.改造细菌抵抗癌症：A．细菌炸弹：加州大学圣地亚哥分校的 Jeff Hasty 与麻省理工学院的 Sangeeta Bhatia 合作，设计出了一种减毒沙门氏菌肠内菌株，当该细菌种群达到临界密度时会同步释放癌症治疗药物，以实现在小鼠肿瘤中的定期给药；B．用于成像的纳米结构：加州大学伯克利分校的 Mikhail Shapiro 和他的同事们对微生物进行改造使其产生一种叫做气体囊泡的结构，该结构可以散射超声波产生回声，从而对微生物进行定位；C．磁辅助导航：蒙特利尔理工大学的 Sylvain Martel 和他的同事们将含有药物的纳米脂质体附着在一种被称为 MC-1 的磁性细菌株上，使得研究人员们能够利用磁场引导该细菌进入到肿瘤中，使之在该部位传递治疗物质或者作为成像造影剂；D．光照射肿瘤：中国武汉大学的张先正团队利用光照来增强大肠杆菌的代谢活动，使其产生更多的细胞毒性物质以抑制肿瘤生长。

具有抗癌有效载荷的细菌

卡介苗（BacillusCalmette-Guerin, BCG）是一种减毒细菌，通常用作结核病的疫苗株。过去几十年，卡介苗被重新用于局部治疗膀胱癌。这种方法背后的概念与 Coley 的假设相似，即注射细菌可以刺激病人的免疫系统，使其对抗癌症。

更好的是，尽管 Coley 不知道，许多细菌（非 BCG，且具体原因尚不清楚）也有可能选择性地在实体肿瘤、膀胱以及其他地方生长。在肿瘤的缺氧和酸性环境中免疫监视的减弱为厌氧菌提供了生长和繁殖的安全港。而在肿瘤内部，一些细菌会产生毒素并与癌细胞竞争营养物质。最终，细菌在肿瘤内的积累，会诱导免疫细胞的浸润，从而导致抗癌反应的产生。

然而，尽管已经在动物癌症模型中测试了许多自然产生的和实验室制造的菌株，并且已经进行了相关的人体试验，但是遗憾的是，研究人员发现，除了在膀胱癌患者身上继续观察到的益处之外，其他患者几乎没有显示出疗效。

因此，该领域已经开始转向基因工程细菌，把其作为重组有效载荷的“渡船”。肿瘤中细菌的选择性靶向和随后的生长，以及微生物本身的局部治疗效果，可以最大限度地减少对健康细胞的附带损害，这是系统性癌症治疗的常见做法。

有几个研究小组已经将细菌改造以制造出各种各样的物质，包括抗癌毒素、细胞因子和诱导细胞凋亡的因子等。

如果我们需要这些细菌制造有潜在毒性的治疗药品，那么我们就需要进一步对这些细菌进行控制，以防止它们定植在不应该定植地方。因此，研究人员现在正朝着设计下一代细菌系统的方向前进，以使细菌能够感知生理信号，并发挥局部疗效。

为了实现这一目标，在过去 20 年里，合成生物学领域已经开发出一套控制微生物行为的基因回路。这些回路由正反馈和负反馈元件组成，用以调节细胞的动态功能，并充当拨动开关、振荡器、计数器、生物传感器和记录器等工具，以帮助研究人员用来设计抗癌微生物。

基因控制抗癌细菌的一个例子是，加州大学圣地亚哥分校的 Jeff Hasty 团队与麻省理工学院的 Sangeeta Bhatia 实验室合作，于 2016 年开发出了同步裂解电路。在这个遗传回路中，细菌被定位到肿瘤部位并生长到一个临界密度，然后同步地破裂，释放出这些细菌所产生的治疗化合物。

这种方法利用了自然界中的细菌群体感应，并对以前所开发的细菌疗法进行改进。在原来的方法中细菌都能自主产生药物，这意味着它们可能在身体的非指定区域产生和释放治疗物质。而在新的方法中，因为细菌只在肿瘤部位达到临界密度，所以，它们只会在那里自毁并释放它们的治疗有效载荷，这阻止了肿瘤或其他部位的细菌不受控制的生长。

在结直肠肝转移小鼠模型中，与单纯化疗或单纯细菌治疗相比，该系统与化疗联合使用可使生存率提高两倍。

这几个研究小组进一步发展了这种方法。例如，在 2019 年，该小组的研究成员与哥伦比亚大学微生物学家和免疫学家 Nicholas Arpaia 及其同事创造出了一种细菌，这种细菌产生的分子可以阻断免疫检查点，如 CD47 或 PD-L1。

这些分子通常会抑制免疫细胞，从而降低抗肿瘤活性。而在肿瘤中阻断这些通路，细菌就能够启动 T 细胞，并促进淋巴瘤小鼠模型中癌症的清除。最令人惊讶的是，在接受治疗的动物体内，未经治疗的肿瘤也缩小了，这表明局部启动可以触发远端和持久的抗肿瘤免疫。

利用细菌治疗癌症的方法正开始引起生物技术工业界的注意。

BioMed Valley Discoveries 公司已经在几项临床试验中，对注射 Clostridium novyi-NT 的孢子进行了测试。这是一种专性厌氧菌，只能在低氧条件下生长，并且经过基因减毒处理，因此不会产生致命的毒素。根据 2014 年的一份报告，在老鼠、犬和一个人类病人身上，这种治疗显示出“精确、有力和可复制的抗肿瘤反应”。

另一家公司，Synlogic 公司，正在开发一种可在肿瘤内注射的细菌，这种细菌可以产生出一种可以激活先天免疫的激动剂——干扰素基因刺激因子 STING 激动剂。这些细菌可以被已经渗入肿瘤的抗原呈递细胞感知和吞噬，在这些免疫细胞中它们会激活 STING 通路，从而引发干扰素的释放和肿瘤特异性T细胞反应。

一期临床试验正在评估该疗法对难以治疗的实体肿瘤的治疗效果，并计划与检查点抑制剂联合使用。

这些试验和其他试验的结果将有助于指导工程细菌癌治疗方法的安全性和功效方面的进一步的创新。

例如，这些研究不仅将有助于了解治疗效果，而且还有助于知悉细菌定殖水平、细菌在患者肿瘤中的分布、脱落或脱靶定殖，以及基因编辑的稳定性等（这些都只在小鼠模型中详细研究过）。一旦我们在人体上建立了原理论证，就会对确定最佳的菌株、有效载荷、回路和使用这些类型的治疗适当的临床环境等提供强有力的推动力。

图.大肠杆菌

对细菌的远程控制

虽然研究人员们已成功地利用细菌来携带或生产抗癌化合物，但是，目前只有不到1%的微生物能自行到达肿瘤。由于大多数的肿瘤不能通过直接注射治疗，临床医生们需要能够有效引导细菌到肿瘤部位的方法，并且保证微生物在目标处可靠和可控地释放它们所编码的有毒药物。

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来感知和利用光能。在 2018 年，爱丁堡大学的 Jochen Arlt 和他的同事们证实了，可以通过空间模式的光场引导这种能进行光合作用的大肠杆菌菌株。

根据光照模式，细菌会移动到特定的位置。通过跟踪它们的位置，并不断给出下一个光输入信号就可以引导它们沿着预先设定的路径前进——这一过程被称为闭环控制，是机器人技术的基础部分。

同年，中国武汉大学的张先正教授和他的同事们通过给细菌细胞膜附着纳米材料，并使用光驱动，将细菌的细胞毒素产量增加了 37 倍。这是因为纳米材料在光的照射下会释放出光电子，进而促进毒素的合成。

在一个乳腺癌小鼠模型中，这些厌氧细菌被发现会在肿瘤的低氧微环境中发生积累，并且能够在光的照射下促进细胞毒素的产生，从而导致大约 80%的肿瘤生长抑制。这是一个说明如何将合成材料整合到活细菌中，从而实现对某些动作或功能的远程控制的例子，它借鉴了经典机器人技术的另外一个功能。

虽然光学触发导航和控制有着巨大的潜力，但是光穿透组织的能力有限，从而阻碍了该方法的应用，而另一种被更广泛使用的外部能量形式是超声波，它在医学诊断和监测方面的应用由来已久。

最近，充气微气泡由于其强烈而明显的声学响应，被用于增强组织中超声图像的对比度，而特殊形式的高功率聚焦超声已被应用于治疗中：通过利用声压波作为外部能量，促进药物填充的纳米气泡深入到肿瘤组织中去。由于在药物治疗中，血脑屏障特别难以克服，因此，这种方法在胶质母细胞瘤中所取得的成果，就显得特别有应用前景。

几年前，研究人员们使用超声波在体内追踪治疗细菌。加州理工学院的 Mikhail Shapiro 和他的同事们，通过基因工程设计了一种细菌，这种细菌可表达“声报告基因”（acoustic reporter genes, ARG）。这种基因编码了一种叫做气体囊泡的中空结构。该“气泡”结构可以散射超声波，产生回声，从而使得研究人员能够探测到细菌在活体老鼠深处的具体位置。  

磁场是最常见的可以安全、远程地应用于人体的外部能量。虽然磁共振成像系统已经在临床上使用了几十年，但磁制导及其控制系统的发展，仍处于初始状态。不过现在研究人员们已经能够应用该方法在高精度手术中实现对磁性导管的精确引导。

最著名的例子是来自圣路易斯的用于治疗心律失常的立体定向 NIOBE 系统。磁性导管的尖端被精确地引导向异常的心脏组织，在那里，通过电脉冲加热或冷却该设备，以实现对失活的细胞烧蚀。

在癌症治疗中使用类似的磁性仪器来引导细菌，是由研究磁性细菌的团队提出的。

磁性细菌是一种海洋微生物，能够自然地合成一串包裹在脂质外壳中的氧化铁纳米颗粒。经过进化后，这种特性可感应地球磁场，进而帮助磁性细菌在水中航行时，进行定位。换句话说，这些串状结构，在磁性细菌的单细胞体内的作用，就像指南针一样。这一特征由马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所的 Richard Blakemore 在 20 世纪 70 年代首次发现的。

大约 40 年后，蒙特利尔理工大学纳米机器人实验室的 Sylvain Martel 及其同事们，将这些趋磁细菌与 DOXIL 结合起来。DOXIL 是一种脂质体包裹的化疗药物，获得了第一个被批准的纳米药物的称号。

厌氧菌倾向于聚集在产生低氧环境的肿瘤部位上。Martel 的团队也利用了厌氧菌的这一特性，并将这一自然的定向机制与外部定向磁场相结合，实现了厌氧菌在小鼠肿瘤中积累和渗透的增加。

在最近的另一个研究中, Simone Schuerle 和麻省理工学院及苏黎世联邦理工学院的研究人员们一起, 利用芯片上的组织模型表明, 应用旋转磁场可以推动成群的趋磁细菌产生出强大的推力，从而驱使与之相伴的纳米药物离开血管，深入到组织中去。

虽然这种趋磁物种在人体内部的应用可能在几十年后才会出现，但是，在其他的更具临床转化性或已经过测试的细菌菌株中编码磁感应功能，却是近期内便可实现的目标。因为，在趋磁细菌中形成磁性化合物的复杂生物矿化过程中所涉及到的几种蛋白质已被发现。

在今年早些时候发表的一份预印本中，研究人员报告报道说，他们对大肠杆菌进行了基因编辑，使之可形成磁铁矿颗粒，并通过外部磁场来控制它们的运动行为。

另一种利用磁场来控制非磁性细菌的方法是将磁性材料附着在细菌上。研究人员们已经将一种甚至多种细菌菌株与磁性微粒子或纳米粒子相结合。当暴露在外部磁场中时，这些磁性颗粒会随着磁场的方向而发生位移，随之，细菌也会随着磁场的方向而发生相应的移动。

2017 年，德国斯图加特马普智能系统研究所的 Metin Sitti 及其同事们，将大肠杆菌附着在由化疗药物阿霉素和微小磁性纳米颗粒层所构成的微粒上。研究人员们将癌细胞置于培养皿中，并通过研究发现，他们可以用磁铁远程控制这些携带药物的细菌机器人的运动。而与仅仅向肿瘤细胞中添加药物微粒子的方法相比，该方案可以提高药物对肿瘤细胞的靶向性。

无论如何，利用外部能源，提供触发、控制和引导的基因工程细菌，是该领域的一个极具吸引力的新方向。在合成生物学、机械工程和机器人技术相互融合的推动下，这些新方法可能会让我们更加接近微型机器人的神奇愿景，帮助我们消灭多种癌症。

原文编译自：

https://www.the-scientist.com/features/bacteria-as-living-microrobots-to-fight-cancer-67305

作者｜Simone Schuerle 和 Tal Danino

编译｜朱国利

审校｜617

编辑｜笑咲