腫瘤，這一古老頑疾至今仍是人類健康的重大威脅。然而，早于放療、化療等經典腫瘤療法，細菌溶瘤的臨床應用早在150余年前就已被報道。但出于安全性、可控性和療效等方面的顧慮，腫瘤細菌療法的研究陷入沉寂長達半個世紀之久。

近年來，合成生物學的發(fā)展使細菌療法重新煥發(fā)了生機，越來越多的“細菌藥物”被報道具有實體瘤治療效果。然而，迄今為止仍然還有諸多問題懸而未決：“細菌為何能治療惡性實體瘤？”“細菌如何逃過宿主免疫系統(tǒng)而不被殺死？”“細菌為何能定殖在腫瘤內？”等等，這也成為了細菌療法無法邁向臨床、服務患者的瓶頸問題。

2025年3月4日，我們團隊（中國科學院深圳先進技術研究院定量合成生物學全國重點實驗室劉陳立研究員團隊）聯合中國科學院上海營養(yǎng)與健康所研究員肖意傳團隊等在學術期刊《細胞》發(fā)表最新成果。通過定量合成生物學研究成功構建了一種特殊的工程菌（DB1），不僅揭示了上述問題的答案，還成功利用工程菌（DB1）實現消滅實體瘤。

“一種機制，三重功能”，本文將帶大家一起來看細菌如何借助定量合成生物學科技“重塑肉身”-DB1，化身“三頭六臂哪吒”，逃避宿主的免疫系統(tǒng)消滅癌細胞。

偉大發(fā)現，“腫瘤細菌療法”問世

1868年，德國醫(yī)生Busch發(fā)現患有惡性腫瘤的患者在感染丹毒后（現在稱為化膿性鏈球菌），腫瘤病灶得到了相應緩解。后來，外科醫(yī)生William B. Coley經其啟發(fā)，用滅活細菌制成為人津津樂道的科利毒素（Coley’s Toxins）！

但在當時的年代，科利毒素的療效不可預測，后來興起的放療和化療以其可預測的療效被更多的醫(yī)生與患者采納，所以，細菌療法如曇花一現般匿跡在歷史中，無人再問津。不過當后人再次統(tǒng)計整理科利毒素的治療結果時，卻有了令人瞠目結舌的發(fā)現：科利毒素的療效與現如今的常規(guī)治療方法取得的成績旗鼓相當！

如今，合成生物學賦予了細菌更多功能和多樣化的診療能力，例如，通過對細菌基因重編程，合成“細菌機器”響應環(huán)境信號、靶向腫瘤、釋放藥物等。但目前無論在學術界還是產業(yè)界，都還沒有細菌制劑走向臨床。究其原因，是細菌溶瘤的機制不清、療效不佳。

具體而言，細菌在腫瘤內“偏安一隅”，表明其逃避了機體的抗微生物免疫防御系統(tǒng)，但細菌抑制腫瘤卻說明了其激活了機體的抗腫瘤免疫系統(tǒng)。這樣一種看似“自相矛盾”的免疫反應，背后的原因難以捉摸。

造物致知，我們合成抗瘤菌株“DB1”

為解析機制、揭開腫瘤細菌療法的神秘面紗，我們團隊以沙門氏菌為底盤細胞，成功構建了一種能在腫瘤組織中高效存活并大量增殖、而在正常組織內發(fā)生裂解并被快速清除的菌株(Designer Bacteria 1,DB1)。

惡性實體腫瘤中分布著復雜的脈管系統(tǒng)，就像“占山為王”的“土匪”，依賴新生血管源源不斷地掠奪給養(yǎng)。實體腫瘤中的血管大多走形扭曲，血液流通不暢，導致實體瘤內環(huán)境缺氧，從而形成中心厭氧區(qū)。

正是利用這一點，研究團隊開發(fā)了能夠響應氧氣濃度的啟動子來驅動細菌必需基因表達，確保細菌在正常組織（有氧環(huán)境）快速死亡，而在實體瘤內（低氧環(huán)境）可以生存增殖。此外，研究團隊引入了來自李斯特菌的溶血素蛋白 Listeriolysin O，增強了細菌穿透腫瘤組織的能力。同時，為了降低沙門氏菌造成的生物安全風險，研究團隊敲除了沙門氏菌的毒性基因。動物實驗顯示，DB1能在腫瘤中高效定殖并持久存在，而在正常組織中則迅速消失，證明其具有很強的腫瘤“靶向性”。

創(chuàng)新發(fā)現，細菌靶向腫瘤并非是“定向遷移”

正所謂“良禽擇木而棲”，細菌“靶向腫瘤”是如何實現的呢？大家普遍認為細菌是靠其自身的鞭毛主動“游”向腫瘤的。但是研究團隊發(fā)現，即便鞭毛被敲除，細菌仍然能夠選擇性地在腫瘤內積累，這似乎暗示了細菌的靶向能力并非依賴其自身運動，而是源于其在腫瘤環(huán)境中的特異性定殖能力。

為了驗證這一猜想，團隊將定量合成生物學的概念方法和研究范式應用到了這一研究中。研究團隊在對荷瘤小鼠尾靜脈給藥后的不同小時和不同天數間隔下，收集研磨小鼠主要器官和腫瘤樣品，通過在上千個細菌培養(yǎng)平板涂布后，證明了正常組織中活細菌的數量在細菌治療后的一周內被清除殆盡，而腫瘤內的活細菌數量在治療后2天內增長了10倍（“偏好性生長”）。

厘清機制，細菌抗瘤的“致勝法寶”

研究團隊發(fā)現，合成菌株DB1在結腸癌、黑色素瘤、膀胱癌等多種動物實驗模型上，都展現了優(yōu)異的治療效果。透過現象看本質，細菌的抗瘤療效究竟從何而來？是細菌本身像“微型炸彈”一樣“爆破”了腫瘤么？還是說細菌像“鬧鐘”一樣喚醒了“沉睡”在實體瘤內的免疫細胞？

帶著這樣的疑問，研究團隊結合一系列定量實驗并構建了數學模型，最終鎖定了細菌抗瘤的“致勝法寶”是免疫細胞因子白介素-10。

具體來說，團隊發(fā)現，腫瘤里的免疫細胞具有一種獨特的“氣質”（分子表型），即相對于正常組織中的兄弟姐妹，它們的表面上存在更多的白介素-10受體。正是由于這個特性，細菌才能夠讓腫瘤內的巨噬細胞產生更多的細胞因子白介素-10?！耙话谚€匙一把鎖”，白介素-10與駐留在腫瘤內的CD8⁺ T細胞表面的白介素-10受體結合，激活了CD8⁺ T細胞發(fā)揮抗瘤功能。更有趣的是，細菌的天敵——中性粒細胞，也會像“貓鼠游戲”一樣，追逐細菌進入實體瘤，形成一個圍繞在細菌周圍的“中性粒細胞圈”，但卻“圍而不剿”，究其原因也是白介素-10。白介素-10讓中性粒細胞運動力下降，從而得以讓細菌借力白介素-10“免戰(zhàn)牌”躲過中性粒細胞的殺傷。

同時相反，正常組織中免疫細胞因為白介素-10受體水平低，細菌就無法讓巨噬細胞產生白介素-10，CD8⁺ T細胞也不會被激活，中性粒細胞的運動性也不會受抑制。因此，在正常組織中的細菌會被快速清除。

團隊近一步發(fā)現，腫瘤和正常組織白介素-10受體水平的差異特性是一種稱為“遲滯效應”的定量規(guī)律造成的。這種現象能夠使免疫細胞對其之前經歷過的白介素-10刺激留下“深刻印象”，即細胞經歷高濃度白介素-10刺激后，即使白介素-10濃度下降，白介素-10受體的表達仍會保持在較高水平。

因此，細菌利用腫瘤內免疫細胞白介素-10受體表達高，而正常組織內的免疫細胞表達低的特性，化身“六臂哪吒”把原本平靜的實體瘤微環(huán)境攪得天翻地覆（由“抗瘤免疫抑制”轉向“抗瘤免疫激活”），又利用這一機制躲避“抗菌免疫先鋒”中性粒細胞的殺傷，上演了一出“我命由我不由天”的好戲。巧妙地實現了“既要靶向腫瘤，又要躲避免疫系統(tǒng)，還要殺傷癌細胞”的三重目標。

“雙輪驅動”，有望為惡性實體瘤患者帶來福音

此外，團隊發(fā)現這種“白介素-10受體高表達”的現象在人類不同癌癥患者的組織中都有所體現，即癌組織中的CD8⁺ T細胞白介素-10受體表達量高于對應正常組織中的表達量。這說明了白介素-10遲滯效應的普遍性，同時也為基于白介素-10的腫瘤免疫治療提供了新的理論依據和潛在策略。

目前，研究團隊正基于這一重要發(fā)現，設計并優(yōu)化新一代合成細菌療法，現正在向臨床實驗推進。通過突破性科學研究與產業(yè)化應用的“雙輪驅動”效應，隨著對白介素-10遲滯效應的深入解析，以及合成細菌療法在不同腫瘤類型和個體中的逐步研究，有望進一步完善細菌免疫療法，持續(xù)推動定量合成生物學在癌癥治療領域的發(fā)展。