開啟癌癥免疫治療新篇章:當(dāng)超聲可控工程菌遇上ChemiDoc MP熒光成像

來源: | 作者:/ | 發(fā)布時(shí)間: 2025-05-23 | 192 次瀏覽 | 分享到:

隨著合成生物學(xué)的飛速發(fā)展，利用基因工程微生物治療癌癥的想法逐漸從科幻走向現(xiàn)實(shí)。加州理工學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種超聲可控的工程菌，為癌癥免疫治療帶來了全新的希望 [1] 。

腫瘤獨(dú)特的免疫抑制微環(huán)境，為細(xì)菌的定植和釋放治療載荷提供了有利條件。然而，傳統(tǒng)微生物療法存在的安全隱患，如細(xì)菌在健康組織中釋放治療物質(zhì)可能帶來的危害，一直是阻礙其廣泛應(yīng)用的難題。而此次研究中，科研人員巧妙地利用聚焦超聲（FUS），為這一困境找到了出路。

這種超聲可控的工程菌以大腸桿菌Nissle 1917為底盤，通過精心設(shè)計(jì)的基因回路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)治療活性的精準(zhǔn)控制。

表征大腸桿菌Nissle 1917中溫度敏感阻遏物行為的遺傳線路圖解

研究人員篩選出對(duì)溫度敏感的轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白TcI42，將其與基于整合酶的狀態(tài)開關(guān)相結(jié)合。在生理溫度（約37°C）下，TcI42抑制相關(guān)基因表達(dá)；當(dāng)受到短暫的聚焦超聲熱刺激（42°C-43°C）時(shí)，TcI42抑制解除，觸發(fā)一系列反應(yīng)，使工程菌持續(xù)釋放治療物質(zhì)。

為優(yōu)化線路切換而進(jìn)行的高通量篩選中所針對(duì)的位點(diǎn)圖。用于篩選線路變體的復(fù)制板的代表性熒光圖像（ChemiDoc MP成像GFP蛋白表達(dá)）。將培養(yǎng)板在指定溫度下孵育1小時(shí)，然后在37°C下繼續(xù)孵育，直到菌落長到足夠大以便進(jìn)行分析。橙色圓圈表示選擇用于進(jìn)一步分析的示例菌落。

為了進(jìn)一步優(yōu)化治療效果，科研人員還對(duì)基因回路進(jìn)行了深入改造。他們通過隨機(jī)和理性設(shè)計(jì)，篩選出具有最低基線活性和最高誘導(dǎo)活性的線路變體。在此基礎(chǔ)上，將抗CTLA-4和抗PD-L1納米抗體等免疫檢查點(diǎn)抑制劑的基因融入線路。這些納米抗體能夠有效阻斷CTLA-4和PDL1信號(hào)通路，激活免疫系統(tǒng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的攻擊。

細(xì)胞在37°C、42°C或43°C下誘導(dǎo)1小時(shí)，然后在5ml培養(yǎng)基中于37°C下擴(kuò)增24小時(shí)，然后收集培養(yǎng)基并測定αCTLA-4納米抗體的釋放。

在小鼠癌癥模型實(shí)驗(yàn)中，這種超聲激活的工程菌展現(xiàn)出了驚人的療效。當(dāng)腫瘤生長至一定體積后，向小鼠靜脈注射工程菌。兩天后，利用聚焦超聲刺激腫瘤部位。結(jié)果顯示，接受治療的小鼠腫瘤生長明顯受到抑制，與未接受超聲刺激或僅注射野生型大腸桿菌的對(duì)照組相比，腫瘤體積增長緩慢。而且，這種治療方式具有高度的空間特異性，工程菌的激活主要局限于腫瘤部位，對(duì)肝臟、脾臟等健康組織的影響極小。

評(píng)估體內(nèi)微生物抗腫瘤免疫療法的激活實(shí)驗(yàn)

這一研究成果的意義不僅在于為癌癥治療提供了一種全新的、有效的手段，更在于其為未來的生物醫(yī)學(xué)研究開辟了廣闊的道路。聚焦超聲激活的細(xì)菌療法有望應(yīng)用于多種難以手術(shù)切除的癌癥，如頭頸癌、卵巢癌、胰腺癌和腦腫瘤等。

在本項(xiàng)研究中，ChemiDoc MP用于細(xì)菌在培養(yǎng)板上的熒光成像實(shí)驗(yàn)，以確定轉(zhuǎn)錄因子的誘導(dǎo)效果。ChemiDoc MP用于評(píng)估經(jīng)過優(yōu)化的基因回路在不同溫度下的表現(xiàn)。通過測量熒光強(qiáng)度，研究者能夠量化基因回路在37°C和42°C時(shí)的激活程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化的基因回路在42°C時(shí)能夠顯著提高細(xì)胞的激活比例，同時(shí)在37°C時(shí)保持較低的泄漏表達(dá)，這對(duì)于確保治療的特異性和安全性至關(guān)重要。

此外，ChemiDoc MP還用于常規(guī)Western Blot實(shí)驗(yàn)，來檢測經(jīng)過熱刺激后，工程化細(xì)菌釋放αCTLA-4納米抗體的情況。

在37°C條件下，細(xì)菌沒有釋放αCTLA-4納米抗體。這表明在正常體溫條件下，細(xì)菌的基因回路處于關(guān)閉狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生治療性蛋白。
在42°C條件下，細(xì)菌能夠可靠地釋放αCTLA-4納米抗體。這表明在熱刺激下，基因回路被成功激活，導(dǎo)致治療性蛋白的表達(dá)和分泌。
在43°C條件下，細(xì)菌同樣能夠可靠地釋放αCTLA-4納米抗體，進(jìn)一步確認(rèn)了基因回路在較高溫度下的激活效果。

ChemiDoc MP全能成像系統(tǒng)

Bio-Rad ChemiDoc MP全能型成像系統(tǒng)具有獨(dú)特的五通道熒光，波長覆蓋從藍(lán)、綠、紅到近紅外，具備完整的分子成像功能，如核酸凝膠成像、蛋白凝膠成像、Western Blot化學(xué)發(fā)光成像、WesternBlot多色熒光成像、紅外熒光成像及免染成像，甚至具備切膠功能。ChemiDoc MP系統(tǒng)搭載了創(chuàng)新的CCD芯片及光學(xué)定焦鏡頭，保證了成像所必需的靈敏度與分辨率。