摘要：刘陈立院长带领主创团队，分享了其在国际生命科学顶尖期刊《Cell》上在线发表的突破性研究成果——“Bacterial immunotherapy leveraging IL-10 hysteresis for both phagocytosis evasion

编者按：

3月31日，由中国抗癌协会主办的第6期CACA前沿播在线上圆满举办。本期活动中，中国科学院深圳先进技术研究院

刘陈立院长带领主创团队，分享了其在国际生命科学顶尖期刊《Cell》上在线发表的突破性研究成果——“Bacterial immunotherapy leveraging IL-10 hysteresis for both phagocytosis evasion and tumor immunity revitalization”，这一成果也为肿瘤治疗领域带来了全新的思考。在会议中，刘陈立院长详细介绍了团队的最新成果——通过定量合成生物学揭示细菌治疗肿瘤的关键原理。【医悦汇】对该会议内容进行了整理，以供学习交流。

刘陈立

▶ 中国科学院深圳先进技术研究院院长

▶ 定量合成生物学全国重点实验室主任

▶ 国家生物制造产业创新中心主任

定量合成生物学的底层逻辑

定量合成生物学的核心在于从复杂的生命系统中寻找简洁的定量关系，通过这些定量关系来指导合成生物系统的理性设计，进而实现对生物系统的理性改造，使其能够更好地服务于人类的需求。在肿瘤治疗领域，这一理念尤为重要。传统的肿瘤治疗方法，如手术切除、放化疗以及影像引导下的瘤内注射等，不仅给患者带来极大的痛苦，还常常面临复发和疗效不佳等问题。因此，探索一种无创、广谱且低成本的新型肿瘤治疗方法成为了医学界的迫切需求。

由于实体瘤内部结构密实且血管分布混乱，仅通过静脉注射药物难以深入其中，因为随着深度增加，实体瘤内部的药物浓度逐渐降低，导致静脉注射的药物在实体瘤外部浓度高，而内部浓度低。相比之下，细菌却能通过血液循环深入实体瘤内部并生存定殖。因此，细菌或许是一个极具潜力的候选者。

细菌治疗肿瘤的历史与现状

细菌治疗肿瘤并非一个全新的概念，其历史可以追溯到100多年前。当时，由于卫生条件的限制，一些肿瘤患者偶然感染了细菌，却意外地发现肿瘤缩小甚至消失。这一现象引起了医学界的关注，德国医生W Bush在1868年首次尝试从患者身上分离化脓性链球菌来治疗恶性肉瘤晚期患者，虽然观察到肿瘤缩小，但由于天然菌株的毒性过强，患者最终死于严重的细菌感染。随后，美国医生William B.Coley在1891年开发了一种由多种细菌灭活组成的细菌制剂——Coley毒素，用于治疗肿瘤患者，尽管部分患者痊愈，但仍有患者因细菌副作用而失去生命。尽管如此，William B.Coley仍被誉为免疫治疗之父，因为他是第一个使用生物制剂治疗肿瘤的医生。

随着科技的进步，细菌治疗肿瘤的方法逐渐从天然菌株过渡到基因工程菌株。例如，VNP20009是一种经过基因改造的伤寒沙门氏菌，通过敲除两个基因并进行诱变筛选，使其在安全性方面得到了一定程度的保障。然而，减毒过程也导致其疗效受到一定影响。

进入21世纪后，合成生物学的兴起为细菌治疗肿瘤带来了新的希望。合成生物学旨在通过工程化的方法改造生命系统，使其能够像机器一样工作。在肿瘤治疗中，研究人员希望通过合成生物学改造细菌，使其能够探测环境信号，靶向肿瘤，并释放细胞毒性分子来杀灭癌细胞，从而实现对肿瘤的精准打击。

目前，全球范围内许多高校、科研机构和企业都在致力于细菌治疗肿瘤的研究。一些企业专注于利用基因工程将细菌作为药物载体，而另一些则开始探索合成生物学在细菌改造中的应用。尽管如此，目前全球范围内尚未有活菌药物上市，大多数研究仍处于临床前或一期临床阶段。这主要是因为细菌治疗肿瘤的机制尚未完全明确，同时安全性和有效性的平衡也难以把握。

定量合成生物学在细菌治疗肿瘤中的应用

刘陈立院长的团队通过定量合成生物学的方法，构建了一系列合成细菌，这些细菌能够响应逻辑信号，完成特定的任务。他们的研究始于一种名为DB1的细菌，其亲本菌株为沙门氏菌7207。

通过植入特定的基因线路，DB1细菌能够在有氧条件下裂解，而在无氧条件下生长。这一特性使得DB1细菌能够在肿瘤内部（通常是缺氧环境）大量繁殖，而在正常组织中则会被迅速清除。

试验结果表明，静脉注射DB1细菌后，肿瘤内的细菌数量在24小时内迅速增加，而正常组织中的细菌数量则呈指数级下降，两周后几乎检测不到。这一现象表明，DB1细菌具有明显的肿瘤靶向性。

研究中观察到，在血液、脾脏、肝脏、肾脏、肺等组织中检测到的细菌素，经过两周后，也基本已被清除。

在研究中，他们发现DB1具有显著的肿瘤靶向性，这种靶向性并非单纯依赖细菌的运动能力，而是由于其在肿瘤微环境中的优先增殖。

具体而言，DB1的靶向性依赖于两个关键模块。移除第一个合成生物模块会导致细菌在正常组织中无法被清除且维持较高水平；敲除第二个模块则会使细菌毒性增加，小鼠在7天后死亡。这表明这两个模块对细菌的靶向功能至关重要，是合成基因线路赋予细菌肿瘤靶向性的关键。

尽管许多研究认为细菌通过趋化运动到达肿瘤，但试验表明，去除细菌的鞭毛（使其失去运动能力）后，其在肿瘤组织和正常组织中的分布与有鞭毛的细菌并无显著差异。这说明细菌的靶向性更多是由于其在肿瘤微环境中的优先增殖，而非单纯的运动。

在肿瘤微环境中，DB1的生长曲线类似于实验室条件下的生长曲线，经历静止期后进入指数生长期，在24小时内，细菌在肿瘤中的数量显著增加，而在正常组织中则被清除。这种在肿瘤中的优先增殖是其靶向性的主要原因。

在安全性方面，DB1对机体的毒性可控。试验中，小鼠的白蛋白、总蛋白、ALP、尿素等指标均无显著变化。尽管小鼠在治疗初期因腹泻导致体重下降，但随后体重逐渐恢复。这些数据表明，DB1在实现肿瘤靶向的同时，对机体的副作用较小。

此外，DB1细菌在治疗肿瘤方面展现出了显著的疗效。它不仅能够抑制多种肿瘤的生长，包括皮下膀胱癌、黑色素瘤、肠癌和结肠癌等，还能够阻止肿瘤的复发和转移。

在试验中，经过DB1细菌治疗的小鼠在治愈后再次接种相同类型的肿瘤细胞时，肿瘤无法再次生长，这表明DB1细菌能够激活机体的免疫系统，产生长期的抗肿瘤免疫记忆。

同时，DB1细菌还能够阻止肿瘤的转移，试验中，经过治疗的小鼠在静脉注射肿瘤细胞后，未出现肺转移等现象。

刘陈立院长指出，这些疗效并非研究人员蓄意为之，在设计过程中，他们仅关注了细菌在有氧和无氧条件下的生长特性，而未刻意引入激活抗肿瘤免疫或逃逸抗菌免疫的功能。这些功能似乎是细菌与生俱来的，但在DB1细菌的系统中得到了意外的体现。从定量合成生物学的角度来看，这一发现仅仅是一个开始。研究人员希望通过进一步的研究，揭示这些复杂系统背后的简单定量关系，从而更好地理解细菌治疗肿瘤的机制，并在此基础上优化细菌的设计，以提高其治疗效果和安全性。

来源：医悦汇一点号