最新综述 | 改造肿瘤靶向细菌以对抗癌症（IF：42.784）
美国约翰霍普金斯大学医学院Shibin Zhou等人于2018年11月7日在《Nature Reviews Cancer》上发表题目为《Tumour-targeting bacteria engineered to fight cancer》的综述。
该综述以研究最多的沙门氏菌属，梭菌属和李斯特菌属为例讨论了活肿瘤靶向细菌作为治疗剂的独特方面。随着越来越多的治疗性细菌菌株进展到临床阶段，我们还强调了与其临床转化相关的问题。
研究摘要
靶向治疗和免疫治疗的最新进展再次给了许多癌症类型可能治愈的希望。然而，大多数晚期癌症要么对治疗开始不敏感，要么在以后产生耐药性。使用活肿瘤靶向细菌的治疗为应对这些问题提供了独特的选择。与大多数其他治疗方法相比，肿瘤靶向细菌的有效性不直接受到肿瘤“基因组成”的影响。
细菌从肿瘤深处开始直接抗肿瘤作用，然后是先天性和适应性抗肿瘤免疫反应。作为微观的“机器人工厂”，可以根据简单的遗传规则或复杂的合成生物工程原理对细菌载体进行重新编程，为临床需要生产和提供抗癌剂。使用活肿瘤靶向细菌的治疗方法可以作为单一疗法应用或补充其他抗癌疗法以实现更好的临床结果。
在本综述中，我们总结了这种方法的潜在优势和挑战。我们讨论活细菌如何选择性地诱导肿瘤消退，并提供实例来说明不同的方法来改造细菌以提高安全性和疗效。最后，我们分享了肿瘤靶向细菌肿瘤临床试验的经验和见解，包括对监管问题的讨论。
文中主要图片说明
图1 | 肿瘤靶向细菌致肿瘤细胞死亡的机制。不同的细菌物种采用共享和独特的内在机制来消除癌症。
a | 沙门氏菌属细胞内增殖失控可导致入侵的肿瘤细胞破裂。或者，细胞内细菌可通过诱导细胞凋亡或自噬来杀死肿瘤细胞。定植沙门氏菌属的肿瘤中巨噬细胞和树突细胞（DC）分泌白细胞介素-1β（IL-1β），其负责抗肿瘤活性。升高的IL-1β分泌需要脂多糖（LPS）诱导的Toll样受体4（TLR4）信号传导和在沙门氏菌受损的肿瘤细胞的吞噬作用后巨噬细胞中的炎性体激活。LPS还通过CD14（LPS的共同受体），TLR4和髓样分化初级应答88（MYD88）引发肿瘤坏死因子（TNF）表达，导致肿瘤脉管系统的破坏。鞭毛蛋白是细菌鞭毛的亚基蛋白，通过在基于肽疫苗的免疫治疗环境中激活TLR5来改善CD8+T细胞依赖性抗肿瘤反应，并降低CD4+CD25+调节性T（Treg）细胞的频率。鞭毛蛋白还可以通过TLR5信号传导直接抑制肿瘤细胞增殖。此外，还有一种来自沙门氏菌属的优化TLR5激动剂。鞭毛蛋白已被证明可诱导依赖于穿孔素和沙门氏菌属的自然杀伤（NK）细胞介导的抗肿瘤反应。鞭毛蛋白还可通过涉及IL-18和MYD88的TLR非依赖性途径激活NK细胞以产生干扰素-γ（IFNγ），其是先天性和适应性免疫的关键细胞因子。沙门氏菌诱导连接蛋白43（Cx43）的上调，导致肿瘤细胞和DC之间的间隙连接形成，这促进加工的肿瘤抗原肽的转移和交叉呈递。肿瘤细胞中Cx43的上调也降低了免疫抑制酶吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）的表达。DCs的肿瘤抗原交叉呈递和IDO降低都进一步激活CD8+T细胞。
b | 李斯特菌属可以直接或在免疫抑制性骨髓来源的抑制细胞（MDSCs）的帮助下感染肿瘤细胞。MDSC的感染改变这些细胞的亚群以具有免疫刺激表型，其特征在于IL-12的产生增加，其与改善的CD8+T细胞和NK细胞应答相关。李斯特菌属可以通过NADPH氧化酶介导的活性氧（ROS）产生和细胞内钙动员直接杀死肿瘤细胞。由高水平的ROS引起的免疫原性肿瘤细胞死亡激活负责消除原发性肿瘤和转移的CD8+T细胞。李斯特菌属疫苗株也抑制MDSC和Treg细胞。
c | 梭菌属通过定植细菌分泌的各种外毒素可以杀死肿瘤细胞，其中一些（例如，磷脂酶，溶血素和脂肪酶）可以破坏膜结构，而另一些则内化并干扰关键的细胞功能。类似于其他细菌物种的感染，梭菌感染导致感染部位的粒细胞和巨噬细胞的初始积累。该第一道防线防止定植细菌侵入周围的正常组织以及充分灌注和氧化的肿瘤区域。细胞反应导致细胞因子和趋化因子升高，协调一致的免疫反应。梭菌属还可以触发中性粒细胞释放TNF相关凋亡诱导配体（TRAIL），通过激活细胞凋亡来杀死癌细胞。在稍后的时间点，招募包括CD8+T淋巴细胞的适应性免疫细胞以帮助消除肿瘤。
图2 | 用于定向定植和有效负载表达的诱导系统
a | 各种诱导型启动子可用于肿瘤选择性表达或时间或空间控制的表达。沙门氏菌菌株被设计，使得必需基因置于缺氧诱导型启动子的控制下，而针对该基因的抑制性反义RNA的表达被氧诱导型启动子激活，以最小化氧合正常组织中的基础表达。该菌株显示出强烈的肿瘤定植并且大大增加了来自正常组织的清除，因此与亲本菌株相比明星改善了安全性。缺氧诱导型启动子也被用于指导效应基因的表达，例如编码细胞毒性蛋白的那些基因，出于安全原因需要更严格的控制。在使用启动子捕获的研究中，鉴定出在肿瘤微环境（TME）中具有活性的那些响应于低pH的启动子元件。可以通过实体肿瘤中经常存在的葡萄糖梯度触发的遗传回路也已被用于工程化细菌，潜在地使它们能够在代谢更活跃的肿瘤区域中表达抗肿瘤蛋白质。外源施加的转录诱导物如1-阿拉伯糖，乙酰水杨酸和四环素可以紧密调节引入细菌的相关诱导型启动子，提供以时间方式控制定植或效应基因表达的手段。低至2Gy的离子辐射也已显示在转染梭菌属的质粒上激活recA启动子，提高了在临床相关剂量下聚焦放射治疗调节效应基因表达的可能性（2Gy类似于典型用于放射治疗的分次剂量用于实体瘤的辅助治疗）。
b | 已经使用启动子捕获物来鉴定在TME中有活性的启动子元件。可以通过用含有在无启动子报道基因上游克隆的随机基因组DNA片段的质粒或含有无启动子报道基因的转座子转化细菌来构建启动子诱捕文库，所述转基因随机整合到细菌基因组中。这些启动子捕获文库可以注入实验肿瘤或与癌细胞共培养。然后回收细菌并分析报告活性。具有高报道活性的克隆可能含有在TME中有活性的启动子元件。
图3 | 用于转录程序的基因回路，用于调节群体水平的细菌活动。图示的是用于转录程序的复杂的群体感应基因回路的实例，其能够在重复循环中实现同步的细菌群体控制和治疗性有效载荷释放。（1）酰基-高丝氨酸内酯（AHL）-结合转录因子LuxR与启动子PluxI相互作用并激活，该启动子驱动AHL合酶LuxI的表达以建立正反馈环，治疗有效载荷和噬菌体φX174蛋白E以裂解细菌。（2）AHL信号分子可以在细菌细胞膜上自由扩散（由箭头指示），使群体内的邻近细菌同步，以实现协同作用。在细菌群体的低密度下，AHL分子主要从细菌中扩散，使基因回路无活性。增加的细菌种群密度使得大多数细菌细胞内的AHL分子能够累积并达到激活基因回路所需的阈值浓度。（3）转录程序的同步激活导致通过蛋白质E同时裂解群体内的细菌以及治疗性有效负载释放的爆发。（4）在裂解中存活的少数细菌重新开始并开始另一个裂解和有效负载释放循环。CDS，编码序列。
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