微生物与纳米材料的强强联合：光驱动材料增强厌氧细菌的抗肿瘤能力

研究背景

近年来，虽然抗肿瘤治疗方法越来越多，但化疗仍是最有效的治疗手段之一。虽然许多抗癌药物如阿霉素、紫杉醇可以通过工程细菌进行生物合成，但是仍需要复杂的分离纯化步骤。由于细菌具有肿瘤特异性靶向的能力，细菌生物反应器可以在肿瘤原位合成抗肿瘤药物，这不仅简化了抗肿瘤药物的制备过程，而且提高了局部药物浓度。

河豚毒素（Tetrodotoxin, TTX）是一种神经毒素，可由Shewanella algae（S. algae）生物合成。作为典型的钠离子通道阻断剂，TTX可以通过增加肿瘤细胞的氧化应激水平来抑制活性离子通道引起的肿瘤细胞的增殖和侵袭，从而引起细胞凋亡。光电子材料能够将光能传递给电子，为S. algae提供额外的外源电子，促进细胞内代谢，提高TTX的合成。因此，以材料辅助微生物（Material-assisted microorganisms, MAMO）为基础的肿瘤治疗平台能够为肿瘤治疗提供新的途径，具有广阔的发展前景。

工作介绍

近日，武汉大学张先正教授课题组设计了一个光控材料辅助微生物系统（Bac@Au），通过生物合成将小尺寸的金纳米颗粒（s-AuNPs）合成在S. algae的表面，成功提高了体内细菌合成药物的效率，提供一种新的抗肿瘤策略，扩展了传统的治疗边界。

1. 由于肿瘤的微环境是乏氧的，兼性厌氧的S. algae通过静脉注射后能够特异性靶向肿瘤并定植于肿瘤部位。

2. 激光照射后，s-AuNPs产生的光电子通过金属还原（Metal-reducing, Mtr）途径转移到细胞内，随后参与能量代谢过程。

3. 光电子最终驱动了细胞内的代谢反应，提高了TTX近40 %的产量，产生的TTX能够作用于肿瘤细胞的钠离子通道，积累大量ROS，诱发细胞凋亡并抑制肿瘤的增殖。

该工作发表在Nano Letters上，IF=11.283。

研究思路

论文导读

Figure 1. 实验原理图及Bac@Au表征

根据细胞外电子传递的特点，S. algae（简称为Bac）能将电子从电子供体转移到HAuCl₄的Au³⁺，最终在细胞膜上生物合成AuNPs，该系统称为Bac@Au（Figure 1A）。合成的AuNPs的平均粒径为10 nm，能够均匀的分布在Bac的表面并且不会对Bac的形态造成影响（Figure 1B-C）。Bac@Au在535 nm处能检测的AuNPs紫外吸收（Figure 1D），并且通过XPS能够检测到属于Au(0)位于85.08和88.08 eV特征结合能（Figure 1E），亦证明了AuNPs在Bac表面的成功合成。

Figure 2. Bac@Au的光电转换特性研究

AuNPs具有较高的自由电子迁移率，表现出局域表面等离子体共振（Localized surface plasmon resonance, LSPR），通过改变AuNPs的尺寸可以调节LSPR，展现不同的光电转换特性。相较于大尺寸的50 nm AuNPs（Bac@Au large），Bac@Au在照射第10秒时能够快速产生高达0.4 μA的瞬态光电流响应，具有优异的光电转换效率，且经过四次循环之后（Figure 2C），Bac@Au仍然保持稳定的电流强度，表明其具有可重复的光电流响应能力，能够连续地将光能传递给电子。而且，Bac@Au的冻干粉还具有较强的光致发光现象（Figure 2D）。不仅于此，Bac@Au经激光照射后产生的光激发电子可以有效地转移到细菌细胞中，促进NAD⁺/NADH的转化，加速细胞内物质和能量的代谢，最终促进细菌产生TTX（Figure 2E-F）。

Figure 3. TTX和Bac@Au的细胞毒性研究

TTX可以与跨膜糖蛋白特异性结合并阻断钠离子通道，细胞内钠离子浓度的下降会降低细胞内谷胱甘肽（GSH）含量，及相关酶如谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）和谷胱甘肽S-转移酶（GSH-ST）的活性，这会导致细胞内积累大量的ROS，诱发细胞凋亡，降低细胞系的增殖、迁移和侵袭能力（Figure 3A）。以小鼠结肠癌细胞CT26为例，与TTX孵育后，细胞内ROS有明显的积累，且细胞内GSH含量、GSH-Px和GSH-ST活性均有明显的降低，最终引起细胞的凋亡，有效杀灭癌细胞（Figure 3B-F）。同样，经激光照射后的Bac@Au可以得到相似的结论，值得注意的是，作为对照组的死亡的Bac@Au并不能抑制癌细胞的增殖，这进一步说明了Bac对于生物合成TTX的重要性。

Figure 4. Bac@Au肿瘤靶向的研究

由于肿瘤微环境的缺氧、营养和免疫特性，兼性厌氧菌倾向于靶向并聚集在实体肿瘤部位。以CT26肿瘤小鼠为模型，用Cy5标记Bac和Bac@Au。经静脉注射后，Bac和Bac@Au 首先在肝脏聚集，24 h后会靶向到肿瘤部位，且能够长时间聚集在肿瘤部位（Figure 4A-C），CT图像同样表明Bac和Bac@Au可以在肿瘤部位聚集（Figure 4D）。将注射Bac和Bac@Au后小鼠的组织磨碎稀释后涂在琼脂平板上，肿瘤组织中的细菌数量远远超过肝脏和肾脏，进一步证明了Bac和Bac@Au靶向和定植于肿瘤的能力，该结果与FISH荧光染色结果一致（Figure 4E-F）。

Figure 5. 肿瘤模型小鼠的体内抗癌治疗

以CT26肿瘤小鼠为模型，Bac@Au具有优异的抗肿瘤活性，治疗组的肿瘤体积明显缩小（Figure 5B-D），且肿瘤组织中氧化应激的三个主要指标（GSH、GSH-ST和GSH-Px）的表达水平均有明显降低，这能够充分说明肿瘤细胞内积累了大量的ROS（Figure 5E-G）。免疫组学染色同样证明了Bac@Au经激光照射后能够展现出良好的抗肿瘤活性（Figure 5H）。

论文亮点

1. 利用兼性厌氧细菌S. algae对乏氧环境的趋向性，可以实现对肿瘤部位的特异性靶向和定植。

2. S. algae不仅具备靶向肿瘤的能力，聚集在肿瘤部分时能够产生TTX，TTX通过阻断肿瘤细胞的钠离子通道，造成大量ROS的积累，诱发细胞凋亡。

3. 通过生物合成将s-AuNPs合成在S. algae的表面，通过s-AuNPs的光电子特性，在激光照射下，将产生的光电子转移到细胞中，促进NAD⁺/NADH的转化，加速细胞内物质和能量的代谢，大幅度提高TTX的产生，有效提高了肿瘤治疗的效果。

文献链接

Xia-Nan Wang, Mei-Ting Niu, Jin-Xuan Fan, Qi-Wen Chen, and Xian-Zheng Zhang*

Photoelectric Bacteria Enhance the In Situ Production of Tetrodotoxin for Antitumor Therapy, Nano Lett. 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00408.

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