将活细胞，尤其是细菌，作为工程化的治疗手段，可以对外部和环境刺激做出反应。这种新的治疗手段，用于治疗各种疾病，如炎症、传染病、代谢性疾病和癌症，日益引起了人们的关注。2023年10月10日，哥伦比亚大学Tal Danino教授的团队，探讨了微生物治疗的前沿，包括细菌作为治疗手段的历史、微生物群疗法的最新发展，以及使用合成生物学和纳米技术来克服这一领域所面临挑战的方法。该综述论文以“Bacterial therapies at the interface of synthetic biology and nanomedicine”为题，发表在Nature Reviews Bioengineering期刊上。论文第一作者是哥伦比亚大学Jaeseung Hahn博士后研究员。

【要点】

• 合成生物学在过去二十年内迅速推动了基于活细菌的治疗方法的发展。

• 然而，使用活细菌在将概念验证工作转化为临床应用时存在挑战。

• 合成生物学和纳米医学的整合可能有助于克服细菌疗法所面临的一些挑战。

【细菌和纳米颗粒】

首先，论文讨论了细菌和纳米颗粒在治疗领域的应用，以及它们在与宿主环境的相互作用中的物理和化学性质的影响。论文首先提到了保罗·埃尔利希对“魔法子弹”的愿景，推动了药物传递系统的研究，以实现对疾病部位的特异性靶向。随着过去几十年纳米医学的进展，通过基于纳米颗粒的系统，可以控制治疗药物的药代动力学和药效动力学（PK/PD），延长循环寿命，改变生物分布并控制药物释放动力学。然而，体内环境的动态性仍然对最先进的药物传递系统构成挑战。工程化的细菌可以通过复制和复杂的感应反应遗传回路克服其中一些挑战，同时还可以借鉴纳米医学领域的创新方法。论文还探讨了选择适当的细菌支架的重要性，支架的类型、外层结构和遗传工具包的可用性。此外，论文还强调了治疗药物的形态、大小、形状、电荷和表面特性对其在宿主环境中的相互作用和命运的影响，以及如何改变这些属性以提高细菌疗法的效果。

图1 | 纳米医学与基于细菌的疗法的比较。设计考虑因素，如支架、大小、形状、电荷和工程策略，决定了治疗药物在体内的命运。在这里，突出了纳米医学和细菌疗法之间的一些显著差异和相似之处。

【传递挑战】

接着，论文讨论了细菌治疗面临的传递挑战，根据药物的药代动力学和药效动力学（PK/PD），以及它们的清除、毒性、生物分布和疗效来平衡治疗效果和安全性。论文指出，细菌能够感知和响应环境信号，使其能够自主调节其性质，从而帮助克服这些挑战。然而，由于细菌与人体免疫系统的相互作用，因此在使用细菌作为治疗方法时需要考虑额外的因素。论文讨论了口服给药和静脉给药两种主要的细菌传递途径，以及它们在克服生物屏障和实现治疗效果方面的挑战。论文还探讨了细菌的生物分布和传递的不同方式，以及如何根据不同的给药途径来调控其生物分布。最后，论文提到了将传统的药物动力学和药效学原则应用于细菌治疗的挑战，以及如何克服这些挑战。

图2 | 细菌疗法的传递挑战。根据给药途径，细菌疗法面临着不同的有效传递障碍。通过静脉注射细菌可能导致由于存在病原相关分子模式而引起的全身免疫反应和毒性。肿瘤内注射细菌可以规避一些与全身给药相关的挑战，但需要严格控制肿瘤内细菌的扩散，以防止其泄漏到周围组织的血液中。口服给药可以避免大多数静脉注射和肿瘤内注射的挑战，但严酷的胃肠环境需要采取策略以防止细菌的迅速降解和清除，以提供治疗效果。一旦治疗细菌传递到目标部位，就需要控制细菌的定居和将有效荷载物输送到适当的位置（如细菌细胞质、细胞外环境、宿主细胞质和细胞核），以实现治疗效果。

【纳米医学与细菌疗法】

论文还讨论了纳米医学（Nanomedicine）和细菌治疗之间的关系以及它们如何相互影响，以开发下一代治疗方法。论文提到了在纳米医学的启发下，研究人员已经采用一系列工程策略来改进细菌治疗的交付和治疗效果。

将细菌包裹在保护性外包层中，以在体内延长其在血液中的循环时间，减少对免疫系统的反应，并提高治疗效果。这一策略可以在系统给药时提高细菌的生存能力，并通过优化治疗效果来实现治疗。

论文介绍了一种利用响应性材料的策略，以根据环境信号动态调节细菌表面特性。例如，一种细菌系统可以根据诱导剂的存在来控制细菌外膜上的保护性胶囊的表达，从而实现在给药后的初始免疫回避。这种策略有助于提高细菌的最大耐受剂量，从而改善治疗效果。

此外，论文提到了在纳米医学中常用的封装策略，将这一策略应用于细菌的口服给药，以保护细菌免受体内恶劣环境的影响，例如低pH和消化道中的酶压力。这种封装策略有助于提高细菌的治疗效果，特别是在防治结肠炎等肠道疾病时。

论文还探讨了细菌表面功能化的策略，包括在细菌表面显示靶向配体，以改善细菌在肿瘤部位的富集。这些策略类似于使用靶向纳米粒子，但在这种情况下，靶向配体被显示在细菌细胞表面，从而提高了对肿瘤的定位和治疗效果。

最后，论文提到了生物材料与细菌的结合系统，包括通过磁场引导的磁性细菌以及通过合成生物学策略改进的细菌体系，这些策略可以增强纳米粒子的运输和释放。论文还探讨了以细菌为基础的纳米粒子，如铁氧化物磁性纳米颗粒和细菌源外膜囊泡（OMV），它们可以用于药物递送和免疫治疗。

图3 | 纳米医学与细菌疗法之间的接口。纳米医学的策略被应用于工程化细菌，以实现免疫逃避、保护免受恶劣环境的影响以及针对特定组织的靶向。伪装细菌表面通过隐藏病原相关分子模式，抑制巨噬细胞的吞噬作用。封装使细菌能够抵抗酸性环境，提供物理屏障。表面装饰的配体针对过表达的受体，用于靶向肿瘤并改善细菌的定居。纳米颗粒可以直接与细菌表面结合，与细菌协同作用。通过细菌策略，药物携带的纳米颗粒的传递可以改善渗透哺乳动物细胞。磁性纳米颗粒允许对细菌进行磁性操控，并在体内引导到目标组织。金纳米颗粒可用作光热疗法的药物。细菌可以产生生物纳米颗粒，如磁体粒、外膜囊泡和小细胞，用于医学应用。

【小结】

微生物合成生物学和纳米医学领域在过去20年中取得的进展，使工程师得以设计和编程复杂度前所未有的细菌。这些工程细菌已在临床前研究中显示出成为潜在生物药物的可能性，尽管只有少数几种已进入高级临床试验并获得FDA批准。论文还强调了解决临床试验中的挑战，如不同于人体患者的模型和治疗效果不佳等问题。此外，论文讨论了细菌疗法与纳米医学的整合策略，以及如何改进细菌的传递和细菌行为的动态调节。研究还指出了细菌来源的纳米颗粒和细菌用于生物诊断的潜在应用。最后，作者提到细菌疗法在临床开发和监管批准方面的挑战，包括社会接受度和制造难题。作者认为综合了合成生物学和纳米医学的发展将有助于克服这些挑战，从而推动细菌疗法的临床应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s44222-023-00119-4