摘要：肿瘤，这一古老顽疾至今仍是人类健康的重大威胁。然而，早于放疗、化疗等经典肿瘤疗法，细菌溶瘤的临床应用早在150余年前就已被报道。但出于安全性、可控性和疗效等方面的顾虑，肿瘤细菌疗法的研究陷入沉寂长达半个世纪之久。

肿瘤，这一古老顽疾至今仍是人类健康的重大威胁。然而，早于放疗、化疗等经典肿瘤疗法，细菌溶瘤的临床应用早在150余年前就已被报道。但出于安全性、可控性和疗效等方面的顾虑，肿瘤细菌疗法的研究陷入沉寂长达半个世纪之久。

近年来，合成生物学的发展使细菌疗法重新焕发了生机，越来越多的“细菌药物”被报道具有实体瘤治疗效果。然而，迄今为止仍然还有诸多问题悬而未决：“细菌为何能治疗恶性实体瘤？”“细菌如何逃过宿主免疫系统而不被杀死？”“细菌为何能定殖在肿瘤内？”等等，这也成为了细菌疗法无法迈向临床、服务患者的瓶颈问题。

2025年3月4日，我们团队（中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室刘陈立研究员团队）联合中国科学院上海营养与健康所研究员肖意传团队等在学术期刊《细胞》发表最新成果。通过定量合成生物学研究成功构建了一种特殊的工程菌（DB1），不仅揭示了上述问题的答案，还成功利用工程菌（DB1）实现消灭实体瘤。

“一种机制，三重功能”，本文将带大家一起来看细菌如何借助定量合成生物学科技“重塑肉身”-DB1，化身“三头六臂哪吒”，逃避宿主的免疫系统消灭癌细胞。

伟大发现，“肿瘤细菌疗法”问世

1868年，德国医生Busch发现患有恶性肿瘤的患者在感染丹毒后（现在称为化脓性链球菌），肿瘤病灶得到了相应缓解。后来，外科医生William B. Coley经其启发，用灭活细菌制成为人津津乐道的科利毒素（Coley’s Toxins）！

但在当时的年代，科利毒素的疗效不可预测，后来兴起的放疗和化疗以其可预测的疗效被更多的医生与患者采纳，所以，细菌疗法如昙花一现般匿迹在历史中，无人再问津。不过当后人再次统计整理科利毒素的治疗结果时，却有了令人瞠目结舌的发现：科利毒素的疗效与现如今的常规治疗方法取得的成绩旗鼓相当！

如今，合成生物学赋予了细菌更多功能和多样化的诊疗能力，例如，通过对细菌基因重编程，合成“细菌机器”响应环境信号、靶向肿瘤、释放药物等。但目前无论在学术界还是产业界，都还没有细菌制剂走向临床。究其原因，是细菌溶瘤的机制不清、疗效不佳。

具体而言，细菌在肿瘤内“偏安一隅”，表明其逃避了机体的抗微生物免疫防御系统，但细菌抑制肿瘤却说明了其激活了机体的抗肿瘤免疫系统。这样一种看似“自相矛盾”的免疫反应，背后的原因难以捉摸。

造物致知，我们合成抗瘤菌株“DB1”

为解析机制、揭开肿瘤细菌疗法的神秘面纱，我们团队以沙门氏菌为底盘细胞，成功构建了一种能在肿瘤组织中高效存活并大量增殖、而在正常组织内发生裂解并被快速清除的菌株(Designer Bacteria 1, DB1)。

恶性实体肿瘤中分布着复杂的脉管系统，就像“占山为王”的“土匪”，依赖新生血管源源不断地掠夺给养。实体肿瘤中的血管大多走形扭曲，血液流通不畅，导致实体瘤内环境缺氧，从而形成中心厌氧区。

正是利用这一点，研究团队开发了能够响应氧气浓度的启动子来驱动细菌必需基因表达，确保细菌在正常组织（有氧环境）快速死亡，而在实体瘤内（低氧环境）可以生存增殖。此外，研究团队引入了来自李斯特菌的溶血素蛋白 Listeriolysin O，增强了细菌穿透肿瘤组织的能力。同时，为了降低沙门氏菌造成的生物安全风险，研究团队敲除了沙门氏菌的毒性基因。动物实验显示，DB1能在肿瘤中高效定殖并持久存在，而在正常组织中则迅速消失，证明其具有很强的肿瘤“靶向性”。

创新发现，细菌靶向肿瘤并非是“定向迁移”

正所谓“良禽择木而栖”，细菌“靶向肿瘤”是如何实现的呢？大家普遍认为细菌是靠其自身的鞭毛主动“游”向肿瘤的。但是研究团队发现，即便鞭毛被敲除，细菌仍然能够选择性地在肿瘤内积累，这似乎暗示了细菌的靶向能力并非依赖其自身运动，而是源于其在肿瘤环境中的特异性定殖能力。

为了验证这一猜想，团队将定量合成生物学的概念方法和研究范式应用到了这一研究中。研究团队在对荷瘤小鼠尾静脉给药后的不同小时和不同天数间隔下，收集研磨小鼠主要器官和肿瘤样品，通过在上千个细菌培养平板涂布后，证明了正常组织中活细菌的数量在细菌治疗后的一周内被清除殆尽，而肿瘤内的活细菌数量在治疗后2天内增长了10倍（“偏好性生长”）。

厘清机制，细菌抗瘤的“致胜法宝”

研究团队发现，合成菌株DB1在结肠癌、黑色素瘤、膀胱癌等多种动物实验模型上，都展现了优异的治疗效果。透过现象看本质，细菌的抗瘤疗效究竟从何而来？是细菌本身像“微型炸弹”一样“爆破”了肿瘤么？还是说细菌像“闹钟”一样唤醒了“沉睡”在实体瘤内的免疫细胞？

带着这样的疑问，研究团队结合一系列定量实验并构建了数学模型，最终锁定了细菌抗瘤的“致胜法宝”是免疫细胞因子白介素-10。

具体来说，团队发现，肿瘤里的免疫细胞具有一种独特的“气质”（分子表型），即相对于正常组织中的兄弟姐妹，它们的表面上存在更多的白介素-10受体。正是由于这个特性，细菌才能够让肿瘤内的巨噬细胞产生更多的细胞因子白介素-10。“一把钥匙一把锁”，白介素-10与驻留在肿瘤内的CD8+ T细胞表面的白介素-10受体结合，激活了CD8+ T细胞发挥抗瘤功能。更有趣的是，细菌的天敌——中性粒细胞，也会像“猫鼠游戏”一样，追逐细菌进入实体瘤，形成一个围绕在细菌周围的“中性粒细胞圈”，但却“围而不剿”，究其原因也是白介素-10。白介素-10让中性粒细胞运动力下降，从而得以让细菌借力白介素-10“免战牌”躲过中性粒细胞的杀伤。

同时相反，正常组织中免疫细胞因为白介素-10受体水平低，细菌就无法让巨噬细胞产生白介素-10，CD8+ T细胞也不会被激活，中性粒细胞的运动性也不会受抑制。因此，在正常组织中的细菌会被快速清除。

团队近一步发现，肿瘤和正常组织白介素-10受体水平的差异特性是一种称为“迟滞效应”的定量规律造成的。这种现象能够使免疫细胞对其之前经历过的白介素-10刺激留下“深刻印象”，即细胞经历高浓度白介素-10刺激后，即使白介素-10浓度下降，白介素-10受体的表达仍会保持在较高水平。

因此，细菌利用肿瘤内免疫细胞白介素-10受体表达高，而正常组织内的免疫细胞表达低的特性，化身“六臂哪吒”把原本平静的实体瘤微环境搅得天翻地覆（由“抗瘤免疫抑制”转向“抗瘤免疫激活”），又利用这一机制躲避“抗菌免疫先锋”中性粒细胞的杀伤，上演了一出“我命由我不由天”的好戏。巧妙地实现了“既要靶向肿瘤，又要躲避免疫系统，还要杀伤癌细胞”的三重目标。

“双轮驱动”，有望为恶性实体瘤患者带来福音

此外，团队发现这种“白介素-10受体高表达”的现象在人类不同癌症患者的组织中都有所体现，即癌组织中的CD8+ T细胞白介素-10受体表达量高于对应正常组织中的表达量。这说明了白介素-10迟滞效应的普遍性，同时也为基于白介素-10的肿瘤免疫治疗提供了新的理论依据和潜在策略。

目前，研究团队正基于这一重要发现，设计并优化新一代合成细菌疗法，现正在向临床实验推进。通过突破性科学研究与产业化应用的“双轮驱动”效应，随着对白介素-10迟滞效应的深入解析，以及合成细菌疗法在不同肿瘤类型和个体中的逐步研究，有望进一步完善细菌免疫疗法，持续推动定量合成生物学在癌症治疗领域的发展。

出品：科普中国

作者：董宇轩（中国科学院深圳先进技术研究院合成所）

监制：中国科普博览