IGEM文献分享：细菌同步裂解实现体内高效药物递送

合成生物学新突破：细菌同步裂解实现体内高效药物递送

大家是不是都认为：细菌往往和疾病挂钩呢？

但你知道吗？其实有些细菌能成为对抗疾病的 “秘密武器”。

一篇发表在Nature的文献——Synchronized cycles of bacterial lysis for in vivo delivery，就揭示了细菌在医学领域的神奇新用途。

01、研究背景：细菌的双面性与治疗新契机

曾经，人们觉得细菌都是有害的，然而越来越多科学家发现：人体内不少细菌是有益的。不仅如此，一些细菌还会在疾病环境里生长，这就给开发新型疗法带来了灵感：

能不能利用这些细菌，让它们在限制自身生长的同时，还能持续释放治疗物质呢？

基于这个想法，研究人员展开了一系列探索。

02、研究思路：构建同步裂解电路实现精准药物递送

为了达成这个目标，研究团队利用合成生物学技术，构建了一个同步裂解电路（SLC）。这个电路就像给细菌设定了一个 “定时炸弹”，当细菌数量达到一定阈值时，就会同步裂解，释放出携带的 “货物”，而且裂解后少量存活的细菌还能重新繁殖，形成脉动式的递送循环。

具体来说，SLC 利用了正负反馈回路。正反馈是通过 luxI 启动子调节自诱导物（AHL）的产生，AHL 和 LuxR 结合后，能激活启动子；负反馈则是由噬菌体裂解基因（ϕX174 E）引发细胞死亡，这个基因也受 luxI 启动子控制。AHL 可以扩散到周围细胞，起到细胞间同步的作用。

SLC示意图

工程菌周期性释放药物

03、研究成果：多维度验证 SLC 的有效性

1. 体外实验：微流控装置见证细菌的神奇表现

o 研究人员借助微流控装置，用 sfGFP 作为指示分子，观察到细菌呈现周期性裂解，裂解事件和 sfGFP 荧光峰值对应，而且不同周期裂解细胞的比例比较稳定。

o 为了测试 SLC 在不同环境下的稳定性，研究人员改变了温度和灌注速率，发现 SLC 在这些条件变化时，仍能保持约 3 小时的平均裂解周期，这表明它在体内复杂环境中也可能稳定工作。

o 在 SLC 菌株中加入编码溶血素 E（HlyE）的基因后，体外共培养实验显示，当携带 SLC 电路的鼠伤寒沙门氏菌裂解时，共培养的 HeLa 细胞会死亡，这证明 SLC 细菌能释放足够的 HlyE 杀死肿瘤细胞。

设计出的微控流装置

2. 体内实验：SLC 在小鼠模型中的卓越成效

o 研究人员给小鼠皮下接种结直肠肿瘤，瘤内注射 SLC 细菌后，利用体内成像技术观察到肿瘤内细菌呈现脉动式群体动态，而且细菌发光强度比未修饰菌株低两个数量级，这说明 SLC 细菌能有效控制自身在肿瘤内的数量。

o 研究人员构建了多种携带不同有效载荷的 SLC 菌株，比如能激活免疫反应的（通过招募 T 细胞和树突状细胞），还有能诱导肿瘤细胞凋亡的。实验发现，免疫招募菌株对肿瘤生长的抑制效果最强，而且三种菌株混合（SLC - 3）的效果比单一菌株更好。

将 SLC - 3 菌株和临床化疗药物 5 - 氟尿嘧啶（5 - FU）联合用于小鼠肝结直肠转移模型。结果显示，联合治疗显著降低了肿瘤活性，延长了动物存活时间，效果比单一疗法好很多。

口服细菌在肝结直肠转移实验模型中的体内测试

工程菌在小鼠体内发光

3. 数据分析：全方位评估 SLC 的优势

o 通过计算模型发现，反馈控制蛋白的高生产和降解速率能扩大振荡动力学的参数范围，而且在 LuxI 蛋白上添加 ssrA 降解标签序列，能调整裂解周期和菌落激发幅度，让 SLC 的递送特性更符合实际需求。

o 体内实验数据表明，SLC - 3 菌株治疗组的肿瘤细胞凋亡水平更高，而且静脉注射 SLC 菌株比未修饰菌株更能让小鼠受益，初步证明 SLC 设计能减轻细菌注射对宿主的负担。

04、研究意义与展望

这项研究意义重大，SLC 为利用合成生物学开发细菌疗法提供了新方法。和传统药物递送策略相比，它不需要预先加载药物或额外构建分泌机制，还能通过控制细菌群体数量，降低全身炎症反应的风险。

未来，通过调节群体周期的频率和幅度，SLC 有望发展出更多新型细菌药物递送策略，在体内环境中构建更有效的治疗体系。但目前也面临一些挑战，比如如何保证电路长期稳定，以及寻找更多有效的治疗载荷。相信随着研究的深入，这些问题都能得到解决，为人类健康带来更多希望。