如何有效地治愈复杂系统疾病？癌症或代谢性疾病等复杂系统疾病的发病原因复杂，并且相关疾病患者的基因突变、靶点都不尽相同，这给临床治疗带来了更大的挑战。
近年来，合成生物学领域迅速发展，在是否能通过生物学技术治愈复杂性疾病，留下了巨大的想象空间。科学家们在积极地探索通过设计和构建工程微生物，并经过充分理性设计的途径来实现精准治疗。
最近，一项通过合成生物学手段系统改造细菌的研究，可能再次引起大家对肿瘤细菌疗法的关注。“该研究具有极高的创新性且总体设计思路非常精妙，将对肿瘤细菌疗法领域产生巨大的影响。”National Science Review 的审稿人对一项研究这样评价。
上文提及的研究，来自中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所（以下简称“深圳先进院合成所”）金帆课题组。他们设计开发了一种可通过层级性调控近红外光强度编程细菌生活方式的工程菌，在实体瘤内首次实现了对细菌全局表型的程序化控制，包括细菌的粘附、瘤内定殖以及细菌裂解释药。
并且，该团队在皮下肿瘤中，成功实现体外光编程瘤内细菌的行为，验证了控制浮游状态、生物被膜状态及裂解表型的可行性，实现了预期的治疗效果。该研究对丰富临床上的肿瘤治疗手段、扩大肿瘤治疗患者的受益范围具有重要的意义。
图丨相关论文（来源：National Science Review）
近日，相关论文以《可编程全局表型的工程抗瘤菌用于肿瘤治疗》（Programming the lifestyles of engineered bacteria for cancer therapy）为题在 National Science Review 上发表[1]。
深圳先进院合成所付生伟博士、张荣荣助理研究员为论文共同第一作者，张荣荣、金帆研究员为论文共同通讯作者。
首次实现对肿瘤细菌疗法全过程的精准控制
金帆指出：“目前，细菌肿瘤疗法最大的痛点仍是临床上‘无菌剂可用’。我们通过菌株改造的方法，为解决复杂系统疾病的治疗提供了新方案。”正是看到了领域内的关键挑战，从研究立项开始，他们就从临床出发，希望通过肿瘤细菌疗法找到一种能治疗原位肺癌的菌剂。
该研究从设想提出到最终成型，是在团队一次次讨论以及文献调研中逐渐完善的。设计出一种相对复杂的基因回路并非易事，这是偶然也是必然。
在以往的肿瘤疗法中，往往是用一种载体激活免疫或者释放药物进行治疗。说它“偶然”，是因为这不是常规的设计思路。
图丨金帆（来源：该团队）
在研究初期，研究人员就提出设想，希望开发出一种通过光精准操控瘤内药物释放的时间及剂量的方法。具体来说，通过调节光激活工程菌内的裂解回路，释放细菌所携带的治疗药物，从而实现肿瘤治疗。
图丨通过近红外光操控实体瘤内的细菌生活方式（来源：National Science Review）
那么，是否能用近红外光来操控药物的释放呢？从优势上来看，近红外光具有良好的组织穿透性，可以精确地操控人体内的基因回路。并且，目前其已经在临床上用于糖尿病等疾病的治疗。但是，在肿瘤细菌疗法中，并没有关于用近红外光操控药物释放研究的参考。
光遗传基因回路的设计是金帆课题组的主要研究方向之一，因此，他们在操控细菌的毒性的致病性、生物被膜形成等方向不断沉淀技术储备和积累经验，为本次创新思路提供了“必然”的基础。
在探索的过程中，该团队发现一个有趣的现象。在调节特定基因的表达水平进行基因回路及菌种的优化时发现，某些菌种根据光强度的不同，会产生截然不同的生活方式——浮游状态、裂解表型和生物被膜。
图丨编程细菌“生物被膜-裂解”生活方式转换实现药物的控制释放（来源：National Science Review）
肿瘤治疗是该课题组的第一次探索，也正因为全新尝试，所以反而没有传统研究思路的束缚。金帆团队希望开发出一款未来能够用于肺部肿瘤治疗的工程菌。
与常用的底盘菌株相比，铜绿假单胞菌天然具有肺部定殖的能力。他们将毒力因子调控蛋白编码基因 vfr、三型分泌系统相关基因 exoS 和 exoT 敲除，构建出减毒的铜绿假单胞菌菌株作为肿瘤细菌疗法中的新型底盘菌株。
此外，还他们提出了一个大胆的猜测——能否只通过体外操控近红外光的强度来精确地编程细菌的三种表型呢？如果在瘤内可进行表型之间的相互转换，就能实现对瘤内细菌全局表型的程序化控制，最终实现药物的可控释放。
为实现治疗效果，比较普遍的药物释放方式是，将药物融合在细菌的外排蛋白上，然后通过细菌的分泌系统，把它从细菌的体内分泌到胞外。
付生伟指出：“通过与外分泌蛋白融合的方式进行药物释放受到蛋白大小的限制，同时瘤内细菌的生长无法受到控制，容易带来风险，所以必须找到一种方式来解决该问题。”
他们大量阅读文献的过程中，从加州大学圣地亚哥分校杰夫·海斯迪（Jeff Hasty）教授课题组的一项研究中获得灵感，即通过裂解的方式进行药物释放。
虽然都采用裂解的方式进行药物释放，不过海斯迪课题组设计的裂解系统是受限的，而该团队设计的裂解系统是可控的，在药物的控制释放方面具有更大的优势。
如何对具有光能操控工程菌株全局表型的基因回路进行理性设计，是该团队面临的另一个关键挑战。金帆带领课题组成员建立了理论模型，并验证了可行性。
但是，相关线路复杂，模型中涉及的三十个反应动力学过程，每一步都可能对最终构建工程菌种的表型产生影响。
该团队利用合成所大设施平台设计的高通量表型控制装置，独立、快速地对每个菌株的光强进行控制，从而实现了高通量地筛选菌种。再结合该课题组自主搭建的显微跟踪拍照技术，最终对操控工程菌株全局表型的近红外光强度进行定量表征。
该团队在细菌疗法过程中，首次实现了从细菌进入体内开始的行为，到最终的药物释放（包括粘附定殖药物释放）全过程的精准控制。
图丨张荣荣（左）与付生伟在实验室（来源：该团队）
该研究始于 2015 年，彼时，付生伟以硕士研究生身份刚进入中国科学技术大学，而这个研究贯穿了他的整个硕士和博士阶段。
他表示：“虽然该方向与我本科所学非同一方向，但越是面对未知，约能激起斗志，直到把它做出来为止。探索一个几乎没有参考文献的方向，虽然有点像‘摸着石头过河’，但成果做出来的那一刻我感到十分兴奋。”
在研究的过程中，实验结果未朝着预期的方向发展是“家常便饭”。张荣荣认为，在研究过程中最重要的应对方式是足够的耐心。“停下来，先去反思可能存在的问题，有时越着急越可能在原地打转，换个角度去思考反而会有意外的收获。”
以细菌为载体，
或可实现不同类型患者的个性化治疗
肿瘤细菌疗法与靶向疗法、免疫疗法、化学药物治疗等现有的肿瘤疗法相比，在临床上具有显著的优势。
在靶向疗法中，靶向药物往往受到肿瘤微环境、肿瘤基因组成的限制，因此它的治疗效果是相对的。付生伟解释道：“并不是所有的肺癌都有相同的突变靶点，有可能靶向药物对 50% 的人发挥作用，但是对其余 50% 的人则无效。”
金帆指出，靶向疗法最大的问题是没有靶点可用。从原理上讲，靶向疗法有效的前提是患者对靶向药物耐受。“因此，靶向治疗的受益患者比例并不高。”
而在肿瘤细菌疗法中，通过细菌进行药物递送，无论是否存在突变的靶点，都能把药物靶向地递送到患者的肿瘤组织中。
在免疫疗法中，从外界将免疫细胞（例如 CAR-T）注入患者体内，但其很难进入到实体瘤。与之对比的是，细菌可以带着免疫的药物进入到实体瘤内部。
在化学药物治疗（化疗）法中，由于没有靶点存在，所以化学药物对人体正常的组织和细胞可能也产生破坏，进而引起全身性、系统性的毒性。
付生伟表示，肿瘤细菌疗法是极具潜力的靶向药物的递送载体。在肿瘤细菌疗法中，可以让患者先服用一种没有毒性的前体药物，再用细菌把前体药物需要转化成最终产物的催化酶带到肿瘤组织内部。
“进入肿瘤组织的前体药物，只能在肿瘤组织内被转化酶催化，变为有活性的化疗药物。这相当于把没有靶向能力的化学药物，变成了有靶向能力的化疗药物。”他补充说道。
作为微型的机器工厂，科研人员还可以通过合成生物学技术，对细菌载体进行重编程，来适应不同临床治疗的需求。也就是说，肿瘤细菌疗法可针对不同类型的肿瘤患者，提供个性化、精准化的治疗方案。
此外，靶向肿瘤的工程菌也可与现有的肿瘤疗法协同作用，实现 “1+1＞2” 的效果。金帆举例说道：“比如改造工程菌对肿瘤内的免疫抑制环境，让其适合免疫细胞生存，再和免疫疗法共同使用，从而能大大提升免疫疗法的效果。”
有望三年内实现关键步骤的验证
目前，该团队已在小动物的模型中证明，编程细菌生活方式在肿瘤的长期治疗过程中具有显著优势，能够在注菌次数较少情况下获得更好的肿瘤抑制效果。下一步，他们计划在基础研究、技术提升等方面继续探索。
基础研究方面，对现有的菌株进一步探索这三种表型对抗瘤机制的具体作用，例如生物被膜帮助瘤内细菌的定殖的原因等。“我们会继续攻克科学难关，为后续临床应用做好理论准备。”张荣荣说。
据团队预计，从目前阶段到小动物的原发肿瘤进行关键步骤的验证，还需要大概三年时间。“一旦原发肿瘤验证成立，就等于在科学原理上证明了该方案在给药方式、控制方式的可行性，并具备良好的临床转化前景。”金帆说。
据悉，该研究从课题设立初期就得到了长安资本的关注，未来若进入到临床阶段将需要规模化、系统性地进行工程优化，进而投入资本、科研人员等多方面的支持。
另一方面，无论通过呼吸道给药还是静脉注射口服的方式，不可忽视的是，肿瘤细菌疗法中的细菌作为活体，可能会产生相关的副作用。因此，该团队还计划对现有工程菌种进行系列改造（比如减毒改造），以更好地满足现有的临床应用标准。据团队介绍，目前已有多种手段对肿瘤细菌疗法的生物安全性进行保障。
此外，他们在技术方面也将继续改进和探索，例如，如何让光精确地定位到瘤内组织、如何编程光强的大小以及如何制定光照的治疗方案。“目前，我们用的方法是通过体外光操控瘤内细菌，后续我们将借助合成所的大设施平台，开发相应的光操控装置、可穿戴的光治疗装置等。”张荣荣说。
金帆认为，虽然近几年合成生物学迅猛发展，但很遗憾尚未在医疗领域出现颠覆性的产品。未来，该团队将从各方面进行技术和经验的累积，包括高通量地制备菌株、理性设计、用各种 AI 的方法筛选或设计菌株、对肿瘤治疗原理上的认识等。
对合成生物学的技术来说，相比治疗癌症，肠道微生物、益生菌、医美等应用可能更早地出现在大众的视野。但将合成生物学的底层技术转变为具有颠覆意义的临床产品，金帆和他的团队目前已踏出“第一步”。
参考资料：
1.Shengwei Fu,Rongrong Zhang et al.National Science Review（2023）. https://doi.org/10.1093/nsr/nwad031
2.Din, M., Danino, T., Prindle, A. et al. Synchronized cycles of bacterial lysis for in vivo delivery. Nature 536, 81–85 (2016). https://doi.org/10.1038/nature18930
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