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合成生物学:细菌递送药物

来源:生命奥秘 2016-08-10 15:27

研究人员在细菌内构建基因回路,控制细菌的基因表达,使其能反复且同步地将药物递送到小鼠肿瘤处,从而实现杀伤肿瘤的目的。

人类和细菌的寄生、共生关系历史悠久。现在,Din等人利用合成生物学,改造细菌,实现了治疗疾病的目的。这些细菌在抵达目标位置时,会同步自发地裂解自杀,释放药物,一方面最大化药物递送效率,一方面最小化药物毒性。

在人体中,某些部位适宜细菌生存——如肠的厌氧管腔。这些环境的一个共同特点是氧含量低。实体瘤中氧含量也相对低,因为肿瘤细胞增殖过快,对氧气需求增加,而肿瘤脉管系统结构和功能异常,血供不足。肿瘤的低氧区域相对免受免疫系统的攻击,适宜细菌定植和生长。

一个多世纪以前,就有人提出,利用细菌来对抗癌症。1891年,William B. Coley医生使用链球菌感染病人,企图激活免疫系统来对抗癌症。该方法备受争议,因为患者响应不一致,而且链球菌感染具有一定毒性。但随着对肿瘤微环境了解的深入,以及基因工程工具的出现,科学家们看到了产生更有效、低毒的链球菌的希望。现在,几个细菌菌株已被开发成癌症治疗剂,且它们在动物模型上效果显着。

细菌可以通过竞争营养、分泌毒素和引发宿主的免疫反应来破坏病变组织。此外,经过基因工程化的细菌还具有其它抗肿瘤特性。相比于病毒(也在癌症治疗中有所使用),细菌携带非天然DNA的能力更强。细菌中可引入长达几千对碱基的DNA片段,大肠杆菌中可转入大于300 kb的人工染色体。因此,从理论上来说,细菌可以作为有效的药物递送载体,携带编码和调控治疗模式的基因回路。

癌症治疗的理想药物输送系统要满足两条要求:1、选择性地把药物递送到肿瘤,以减少对健康组织的损害;2、以可控的方式释放药物。Din等人在尝试开发这样的系统时,采用了一种“群体感应”基因回路,使细菌彼此交流,群体性地对变化产生响应,调控基因表达。

在之前的研究中,研究者们使用了合成生物学来构建大肠杆菌中的“群体感应”基因电路。LuxI、LuxR和酰基高丝氨酸内酯(AHL)在该回路中具有重要作用。LuxI 酶催化AHL分子的合成,而LuxR则是AHL受体蛋白,可激活细菌群体感应转录效应。当细菌种群密度低,LuxR表达水平较低,合成的AHL分子不会在细胞积聚,而是迅速扩散到胞外。当细菌密度增加时,由于胞外AHL浓度梯度,导致AHL在细胞内积累。一旦胞内AHL浓度达到一定阈值,AHL分子与LuxR结合。反过来,LuxR激活PluxI启动子,从而启动靶基因的表达。值得注意的是,AHL可以穿过细胞膜扩散,所以群体细菌中的AHL浓度基本相同,确保了细菌群体中基因表达程序的同步执行。

在目前的研究中,Din等人使用该基因回路,控制鼠伤寒沙门氏菌的细菌毒素释放。在这个系统中,PluxI促进编码四种蛋白的基因表达——LuxI;药物;荧光蛋白(帮助检测群体动态和药物释放),以及源自细菌病毒φX174(图1)的裂解蛋白E。当细菌群体密度达到临界值时,几乎所有细菌细胞中PluxI驱动的转录程序启动,导致细菌合成药物和裂解蛋白,随后细菌裂解,药物释放。群体中少数几个细菌能存活下来,进入下一个周期。结果是周期性的细菌裂解和药物递送。为了证实疗效,Din等人使用这种细菌治疗肿瘤小鼠,发现细菌确实显示出同步周期性动态变化,且无论单用还是与化疗联用,都具有一定疗效。



图1 同步周期性裂解和药物释放。Din等人在细菌内构建了基因回路,使细菌群体能同步周期性合成药物,并以裂解方式释放药物。a,AHL与其受体蛋白质LuxR的结合导致启动子PluxI的激活。PluxI驱动编码LuxI的基因的表达,而Luxl催化AHL合成,从而形成前馈回路。该启动子也驱动编码细菌毒素(药物,杀伤肿瘤)的基因表达,以及蛋白质E(细胞裂解蛋白)基因的表达。AHL可以自由进出细胞(红色箭头)。当细菌群体的密度低,AHL主要扩散出细胞,该回路不活跃。当细菌密度增加后,细胞内积聚AHL,大部分细胞中AHL浓度足以激活该回路。 b,细菌同步裂解,释放药物。生存下来的少数细菌进入下一个周期。

研究者们没有直接比较这种细菌与常规方法生产的、连续产生治疗蛋白的微生物的治疗效果。无论如何,这种新细菌与常规微生物疗法截然不同。首先,药物释放是通过细菌的群体性裂解释放的,而不是通过连续分泌的方式释放;第二,周期性裂解更为安全,因为把细菌数目控制在一定范围内,有助于防止引起全身性炎症的危险。

尽管有这些特征,单靠细菌(是否工程化与否)是不可能根除肿瘤的。在目前的研究中,这种新细菌与化疗联用,并没有完全消灭肿瘤;18天后,肿瘤开始复发,继续长大。如果想进一步提高疗效,就需要把这种新细菌和免疫疗法或其它更有效的抗癌药物联用。

周期性药物释放对那些需要定期服药的病人,如糖尿病和高血压病人而言可能更有效。治疗非癌性疾病,也可能采用利用天然的病灶环境定植细菌的疗法。同样,研究者们也可以考虑设计一种可植入、半通透、小分子和蛋白质可通过,而细菌不能通过的容器来容纳工程化细菌。使用周期性裂解细菌治疗非癌症类疾病的一个难点在于,细菌裂解后产生的产物可能被血管吸收并累积,从而引起全身毒性效应。选择低毒的细菌菌株或创建减毒株(例如,通过删除编码内毒素的msbB基因)可以克服这个问题。(生物谷Bioon.com)

原文检索:

Shibin Zhou. (2016) Synthetic biology: Bacteria synchronized for drug delivery. Nature, 536(1038):33-34.

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