声波能控制基因表达？华东师大利用“声遗传学”精准抗击肿瘤

在癌症治疗中，将药物准确递送到肿瘤位置不仅能够提升治疗效果，也能够减少很多药物对正常人体组织的毒性。然而，药物通常不能有效到达肿瘤组织，而如何实现精准递送是医学界的一大难题。

溶瘤细菌是一种新兴的癌症治疗方法，它利用经过基因工程改造的细菌来对抗肿瘤，这些细菌能够特异性地定位到肿瘤细胞，最终通过裂解释放治疗性药物或激活免疫系统来攻击肿瘤细胞。然而，基于基因工程细菌的精准设计，化学调控和光遗传学调控等靶向操控仍存在无法进行实时控制、对深层组织渗透性差和潜在光毒性等问题。近年来，超声以非侵入性、时空特异性、安全性和组织穿透性为特征优势，在肿瘤的诊断和治疗应用中引起了极大的关注，新兴的“声遗传学”结合合成生物学、遗传学和声波技术，通过非侵入性的方式使用声波来控制生物系统中特定基因表达也极具发展潜力。

近日，来自华东师范大学生命科学学院的叶海峰团队发表在 Cell Reports Medicine 上的一项研究通过基因工程技术设计构建了一套基因表达系统（SINGER），并将其表达到减毒沙门氏菌 VNP20009 内，通过用超声波从外部加以控制基因工程细菌来表达和释放功能蛋白，可实现精准杀伤肿瘤细胞的效果。此外，研究人员还探索了联合使用 Azurin 和免疫检查点抑制剂 PD-L1 nb 的治疗策略，不仅引发了肿瘤细胞的凋亡，还激活了身体的免疫系统，从而达到了双重抗癌效果。

研究内容和结果

在异种移植小鼠肿瘤模型中，超声触发基于细菌的肿瘤治疗示意图

SINGER 系统是一种超声激活的集成基因回路，它能够在超声波介导的温度刺激下精确控制基因的表达。在研究中，SINGER 系统通过温度依赖的 TlpA39 转录抑制子来实现对基因表达的控制。在低于 39°C 时，TlpA39 二聚体结合到合成的启动子 PTlpA 上，阻止下游基因转录；当温度升高到 39°C 时，TlpA39 蛋白解聚从 PTlpA 上解离，从而允许目标基因的表达。通过调整超声波的强度和刺激时间，实现对温度的调控，进而能够精确控制基因表达的时间和水平，实现对治疗蛋白质表达的精确控制。

基于沙门氏菌 VNP20009 SINGER 系统的构建与优化

SINGER 系统被激活后会释放 azurin 和 PD-L1 纳米抗体（PD-L1 nb）。azurin 是一种从铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中分离出的天青蛋白，能够进入癌细胞并诱导其凋亡。它能够与癌细胞表面的特定分子相互作用，进而干扰癌细胞内部的信号传导路径。当前，azurin 主要处于基础研究和临床前试验阶段，尚未成为标准的临床治疗方法。PD-L1 nb 是一种靶向程序性死亡配体1（PD-L1）的小型抗体片段，PD-L1 是许多肿瘤细胞表面表达的一种蛋白质，它通过与免疫系统中T细胞上的 PD-1 受体结合，可以使肿瘤细胞“隐身”逃避免疫系统的攻击。通过阻断 PD-L1 与 PD-1 之间的相互作用，PD-L1 nb 能够重新激活 T 细胞介导的免疫反应，从而帮助免疫系统识别并消灭肿瘤细胞。PD-L1 抑制剂已经被广泛用于临床治疗多种类型的癌症，尤其是在免疫疗法领域，表现出了显著的治疗效果。

超声调控工程细菌的开发和在肿瘤治疗中应用

在多种小鼠肿瘤模型中，该超声控基因工程细菌展现了抗肿瘤效果。无论是通过瘤内直接注射或静脉注射，基因工程细菌均精确定位到肿瘤区域，并在超声波诱导下释放强效抗癌蛋白，直接杀伤肿瘤细胞。此外，这种基于超声控基因工程细菌疗法在动物模型中也表现出良好的安全性。

未来展望

近年来，细菌介导的癌症免疫疗法以其独特的优势正引起人们的关注。该类细菌优先在肿瘤的缺氧区定植，通过重塑肿瘤免疫微环境、激活抗肿瘤免疫等多种机制杀伤肿瘤细胞。在此基础上，通过遗传工程技术构建重组抗肿瘤菌株，靶向肿瘤并在肿瘤核心区分泌治疗性蛋白或核酸药物，或与其他抗癌疗法联用，有望成为种新的癌症治疗策略。

本项研究建立了一个基于超声的声遗传学平台，可以远程和无创地控制工程细菌的基因表达，超声控制的工程细菌可以定向在肿瘤的缺氧和免疫特权核心位置局部表达和分泌治疗蛋白，而不会引起非特异性的肿瘤外毒性，在动物模型中表现出良好的抗肿瘤效果和安全性。此外，该研究还探索了细菌递送的 azurin 和 PD-L1-nb 的治疗组合的双重策略，不仅增强了对肿瘤生长的抑制，而且提供了一种更有效、更全面的肿瘤免疫治疗方法。

基于超声波控制的基因工程细菌疗法声遗传学作为一种新兴的治疗手段，在肿瘤的精准治疗中也具有较大的潜力，同时也仍面临着较多的挑战：

如何向深部或转移性肿瘤更精确递送；继续优化细菌载体的安全性和生物兼容性，确保工程细菌在体内能够有效生存并长期保持其功能性；提高声波穿透深度和精确度，以精准调节其强度和可控性；针对特定治疗优化超声设备的设计和使用方式，开发便携式的声波设备，以推进这项技术在个性化、非侵入性治疗中的广泛应用。

相信随着研究的深入和相关技术的完善，可远程超声控制的基因工程细菌药物有望成为抗击肿瘤的有力武器，为患者提供更精准、更安全的治疗选择。

参考文献：

[1]  Gao T, Niu L, Wu X, Dai D, Zhou Y, Liu M, Wu K, Yu Y, Guan N, Ye H. Sonogenetics-controlled synthetic designer cells for cancer therapy in tumor mouse models. Cell Rep Med. 2024 Apr 5:101513. doi: 10.1016/j.xcrm.2024.101513. Epub ahead of print. PMID: 38608697.