《Nature Communications》：A live biohybrid bacterial therapy based on engineered Serratia marcescens
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本文针对传统细菌疗法在安全性和工程复杂性方面的挑战，开发了一种基于减毒粘质沙雷氏菌（Serratia marcescens）的新型生物杂交平台。该研究通过工程改造细菌高产天然光敏色素灵菌红素（prodigiosin），在黑色素瘤和结直肠癌小鼠模型中证实其可通过诱导线粒体自噬（mitophagy）导致肿瘤细胞死亡，并激发强大的系统性免疫应答（包括增强T细胞募集和形成长期免疫记忆），其近红外光热特性还可实现治疗后的光控快速细菌清除，为精准、安全的癌症免疫治疗提供了多功能、自我调节的生物合成平台。
癌症治疗领域一直在寻求能够精准靶向肿瘤并克服现有疗法局限性的新策略。其中，细菌疗法因其能够特异性定植于缺氧的肿瘤区域而备受关注，被认为有望与手术、放疗、化疗等传统手段形成互补。然而，理想很丰满，现实却有些“骨感”。当前的细菌疗法常常在安全性与工程化复杂性之间左右为难：一方面，活细菌本身可能带来感染风险；另一方面，为了实现治疗功能而对细菌进行复杂的基因工程改造，又可能引入不可预知的风险并增加技术门槛。那么，能否开发一种既安全有效，又主要依赖细菌自身天然合成能力的治疗平台呢？这成为了研究人员亟待攻克的关键难题。
为了回答这一挑战，一项发表于《Nature Communications》的研究另辟蹊径，将目光投向了一种自然界中存在的细菌——粘质沙雷氏菌（Serratia marcescens）。这种细菌有一个有趣的“天赋”：它能天然合成一种名为灵菌红素（prodigiosin）的色素。研究人员敏锐地意识到，这种色素本身具有抗癌活性，同时还是一种光敏剂，这为构建一个集治疗与可控清除于一体的平台提供了绝佳基础。于是，他们开展了一项研究，旨在探索减毒的粘质沙雷氏菌能否作为一个强大的生物杂交平台，用于癌症治疗。研究结果表明，通过工程改造提高细菌的灵菌红素产量，成功构建了一个多功能治疗平台。该平台不仅通过灵菌红素的固有活性和其光热效应直接杀伤肿瘤细胞，还意外地激发了强大的全身性抗肿瘤免疫反应。更重要的是，利用灵菌红素的光热性质，可以在治疗后通过光照快速、可控地清除细菌，从根本上解决了活菌治疗的安全隐患。这项研究为开发精确、安全且易于操控的癌症免疫疗法开辟了新的道路。
为开展此项研究，作者运用了几个关键的技术方法。首先，对粘质沙雷氏菌进行了基因工程改造，以提升其天然产物灵菌红素的生物合成水平。其次，在雌性小鼠中建立了黑色素瘤和结直肠癌的皮下移植瘤模型，用于体内药效评价。核心的分析手段包括：利用流式细胞术和免疫组化等技术分析肿瘤微环境及全身的免疫细胞浸润和活化状态，特别是T细胞的应答情况；通过转录组学等分子生物学方法探究肿瘤细胞死亡的机制；以及评估细菌在体内的定植情况和通过近红外光照实现的光热清除效率。
工程化粘质沙雷氏菌高产灵菌红素
研究人员对粘质沙雷氏菌进行了改造，使其能够产生高水平的灵菌红素。实验证实，工程菌株合成的灵菌红素不仅保留了强大的固有抗癌细胞毒性，还表现出显著的近红外光敏感性，这为其后续的光热治疗和光控清除功能奠定了基础。
在肿瘤模型中引发强效抗肿瘤免疫
在黑色素瘤和结直肠癌的小鼠模型中，静脉注射该工程菌疗法显示出了显著的抗肿瘤效果。深入分析发现，治疗不仅直接抑制了肿瘤生长，还引发了强大的系统性免疫反应。这包括显著增强CD8+T细胞（细胞毒性T细胞）在肿瘤组织的浸润和活化，以及诱导产生长效的免疫记忆，从而能有效防止肿瘤的复发。这表明该疗法具有癌症免疫治疗的巨大潜力。
通过诱导线粒体自噬导致肿瘤细胞死亡
为了阐明工程菌直接杀伤肿瘤细胞的机制，研究人员从细胞通路层面进行了探索。结果表明，细菌疗法诱导的肿瘤细胞死亡与线粒体自噬（mitophagy，即选择性清除受损线粒体的过程）的激活密切相关。灵菌红素在这一过程中起到了关键作用，通过触发线粒体自噬通路，最终导致肿瘤细胞的消亡。
实现光控的细菌清除以保障治疗安全性
利用灵菌红素的近红外光热特性，研究人员设计了一套安全开关。在完成治疗任务后，对肿瘤部位进行近红外激光照射，灵菌红素吸收光能产生热量，能够快速、有效地清除局部的工程菌。这种“按需清除”的策略，从根本上规避了活菌长期留存于体内可能带来的潜在风险，实现了治疗过程的安全可控。
该研究得出结论，减毒的粘质沙雷氏菌可作为一个高效、多功能的活体生物杂交平台用于癌症治疗。其成功关键在于利用并增强了细菌天然合成灵菌红素的能力。这一平台通过多种机制协同发挥抗肿瘤作用：灵菌红素固有的毒性及其介导的光热效应直接杀伤肿瘤；同时，疗法能激活以T细胞为主导的强效、持久的适应性免疫应答，并形成免疫记忆；在细胞机制上，其通过触发线粒体自噬途径诱导肿瘤细胞死亡。尤为突出的是，灵菌红素的光热性质为实现治疗后的快速、光控细菌清除提供了完美解决方案，确保了疗法的安全性。这些发现共同确立了该平台作为一种集生物合成、免疫激活与安全可控于一体的新型癌症治疗策略的重要价值，为未来开发更精准、安全的细菌疗法奠定了坚实的基础。
