南京大学《自然·通讯》:活体生物杂交细菌疗法——基于工程化粘质沙雷氏菌的天然光热免疫治疗平台
细菌疗法因其独特的缺氧靶向能力、天然生物合成机器和免疫刺激潜力，在癌症治疗中备受关注。然而，传统细菌疗法大多依赖外源基因改造或物理/化学修饰来负载治疗药物，存在安全性隐患、药物释放效率低、直接杀瘤能力有限等挑战。此外，如何构建一个完全基于天然生物合成的安全、高效递送平台，仍是该领域的难题。粘质沙雷氏菌（Serratia marcescens）可天然合成灵菌红素（prodigiosin）——一种具有抗肿瘤、抗菌和抗氧化活性的红色色素，但其低生物利用度、化学不稳定性和短半衰期限制了临床应用。为解决上述问题，南京大学魏炜教授、王秀秀教授与赵静教授团队开发了一种基于减毒粘质沙雷氏菌的活体生物杂交治疗平台。他们通过迭代紫外诱变筛选获得高产灵菌红素的工程菌株SMM，并敲除内毒素合成关键基因msbB获得减毒株SM。进一步，利用羧甲基纤维素（CMC）包被细菌表面，并通过酰胺键偶联靶向肿瘤PD-L1受体的环肽KP101，构建了SM@CMC-KP101复合物。该平台具有以下特点：灵菌红素赋予细菌近红外-I/II区荧光成像能力和高效光热转换性能（808 nm激光下3分钟内升温至60℃以上）；CMC包被降低免疫原性并提供羧基锚点；KP101靶向增强肿瘤细胞摄取。经瘤内或静脉注射后，该平台可实现光热消融肿瘤、诱导肿瘤细胞通过线粒体自噬驱动的坏死性凋亡和非caspase-3依赖性凋亡，同时激活树突状细胞成熟、CD8+ T细胞浸润和M1型巨噬细胞极化，并建立长期免疫记忆。相关研究成果以“A live biohybrid bacterial therapy based on engineered Serratia marcescens”为题发表在Nature Communications！图1 | 减毒粘质沙雷氏菌递送系统治疗肿瘤的机制示意图：该生物杂交系统通过灵菌红素的近红外光热效应直接消融肿瘤，同时诱导肿瘤细胞线粒体自噬驱动的坏死性凋亡和凋亡，激活系统性抗肿瘤免疫，并实现光控细菌清除。工程菌SMM在30℃培养时产生大量灵菌红素，菌落呈现深红色，并在808 nm激发下发射NIR-I/II区荧光（峰值~940-1300 nm，荧光寿命~1208 ns）。纯化灵菌红素（5 mM）在4.5 W/cm²激光下3分钟内温度超60℃，且光稳定性优异。细菌悬液（1×10¹¹ CFU/mL）同样快速升温至60℃以上，该温度下3分钟可杀灭>8-log的细菌，实现光控清除。PCR和LAL实验证实msbB敲除使内毒素水平降低39.8%，且减毒株SM在静脉注射1×10⁸ CFU后小鼠100%存活（野生型SMM致死率>50%）。CMC包被效率达98.2%，不损害细菌活性。KP101偶联后，粒径增至955.4 nm，zeta电位降至-8.9 mV，TEM显示细菌表面粗糙颗粒状修饰。FTIR证实酰胺键形成，流式细胞术显示FITC-KP101成功结合。该修饰使细菌对B16F10细胞的内化效率提升107%（相比于未修饰SM）。共聚焦显示SM@CMC-KP101被CT26和B16F10细胞有效内化。CCK-8显示IC₅₀ < 4×10⁷ CFU/mL。在骨髓来源树突状细胞（BMDC）中，该处理使CD11c⁺CD80⁺CD86⁺比例提升1.08倍。在巨噬细胞极化实验中，TNFα和iNOS mRNA分别上调62.9倍和107.3倍，而M2标志物CD206和IL-10仅轻微变化，表明其高效诱导M1极化。瘤内注射SM@CMC-KP101（1×10¹⁰ CFU/只）并联合808 nm激光（4.5 W/cm², 3 min）后，瘤内温度达60℃，皮肤正常组织≤45℃。治疗后1天，瘤内细菌载量从~1.3×10⁹ CFU/g降至~4.25×10³ CFU/g（5.5-log降低），14天完全清除。肿瘤体积从对照组的1534 mm³降至15.4 mm³（第11天）。免疫分析显示：引流淋巴结中成熟DC比例升至24.6%（对照组9.9%），CD8⁺ T细胞升至26.3%；脾脏中CD8⁺ IFN-γ⁺细胞升至16.17%，效应记忆CD8⁺ T细胞（Tem）升至37.8%（+179.6%），Treg从14.2%降至8.6%。再挑战实验显示，治愈小鼠中仅1/3（i.t.）和1/4（i.v.）出现肿瘤复发，证实长期免疫记忆建立。中性粒细胞在24h一过性升高，28天恢复基线，证明良好安全性。图6 | B16F10黑色素瘤模型中的静脉给药疗效由于C57BL/6J小鼠黑色皮毛吸收808 nm激光，该模型仅采用静脉给药（1×10⁸ CFU/只，第0,3,6,10天）。ECN和VNP20009组因毒性在第2次注射后全部死亡，而SM@CMC-KP101组14天生存率100%，肿瘤体积从对照组的511.9 mm³降至138.9 mm³。细菌分布显示SM@CMC-KP101在肿瘤中富集达8.98×10⁷ CFU/g，且心、肝等正常器官残留较低。免疫分析显示：CD11c⁺CD80⁺CD86⁺ DC比例升至12.25%（对照组4.09%），CD69⁺CD8⁺ T细胞升至6.93%，M1型巨噬细胞比例升至15.85%（对照组8.15%），CD8⁺ Tem升至25.73%（+126.4%），CD4⁺ Tem升至18.34%（+100.9%），证实了系统性的免疫激活。蛋白质组学分析显示，SM@CMC-KP101处理使MAPKAPK5（MK5）下调8.98倍，并上调ROS合成通路（Maff 5.5倍，Fos 62.1倍）及线粒体自噬相关蛋白（Map1lc3a/b）。Western blot证实PINK1、LC3-II/I升高，p62降低，p-MLKL升高，caspase-3和cleaved caspase-3下调。抑制剂实验表明，坏死性凋亡抑制剂Nec-1将B16F10细胞存活率从28%恢复至94%，凋亡抑制剂Z-VAD恢复至100%，而自噬抑制剂氯喹和ROS清除剂Trolox也显著恢复活力。TEM观察到线粒体肿胀、空泡化和受损的线粒体自噬。siRNA敲低MK5同样诱导caspase-3非依赖性细胞死亡，表明MK5下调是关键机制。综上，SM@CMC-KP101通过线粒体自噬驱动的坏死性凋亡和caspase-3非依赖性凋亡协同杀伤肿瘤细胞。本研究首次开发了一种基于减毒粘质沙雷氏菌的活体生物杂交平台，通过其天然合成的灵菌红素实现近红外荧光成像、光热治疗和免疫调节的多功能整合。该平台通过以下多重机制发挥抗肿瘤作用：1、天然光热与成像：灵菌红素赋予细菌NIR-I/II区荧光和高效光热转换，实现实时成像和光控细菌清除；2、靶向递送：CMC包被和KP101肽修饰增强肿瘤靶向和内化；3、多模式细胞死亡：诱导线粒体自噬驱动的坏死性凋亡和caspase-3非依赖性凋亡，通过下调MAPKAPK5发挥作用；4、系统性免疫激活：促进DC成熟、CD8⁺ T细胞浸润、M1巨噬细胞极化，建立长期免疫记忆，同时降低Treg比例。在CT26结肠癌和B16F10黑色素瘤两种模型中，该平台均实现了显著的肿瘤消退和长期生存获益，且具有良好的生物安全性。这一“活体生物杂交”策略为癌症免疫治疗提供了全新的平台技术，尤其在难以治疗的实体瘤（如黑色素瘤、胰腺癌）以及需要联合光热免疫治疗的场景中具有广阔的转化前景。
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https://www.nature.com/articles/s41467-026-70949-4来源：BioMed科技声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
