癌症是全球健康的主要威胁之一，尽管近年来在癌症治疗领域取得了显著进展，包括手术、化疗、放疗、靶向治疗和免疫治疗等，但许多癌症类型，特别是晚期和转移性癌症的治疗仍然面临重大挑战。这些挑战包括治疗的副作用、肿瘤的耐药性、以及免疫抑制性的肿瘤微环境等问题。近年来，免疫治疗作为一种新兴的治疗手段，通过激活患者自身的免疫系统来攻击肿瘤细胞，已经在某些类型的癌症治疗中取得了显著的成效。特别是CAR-T细胞疗法在血液癌症的治疗中已经取得了革命性的进展，但对实体瘤的治疗仍然存在较大的困难。相似的，CAR-NK细胞疗法策略也被提出，通过将特定的受体表达在NK细胞表面，使其能够特异性地识别和杀伤肿瘤细胞。同样，CAR-NK细胞疗法对实体瘤的治疗仍然面临挑战。
在这一背景下，研究者们开始探索新的治疗策略，以期提高癌症治疗的响应率和安全性。其中，利用微生物，尤其是细菌，作为癌症治疗的载体，成为了一个研究的热点。一些细菌能够选择性地在肿瘤组织中聚集，这一特性为开发新型癌症治疗方法提供了新的可能性。通过基因工程改造的细菌，可以设计成递送抗肿瘤药物、免疫激活剂或其他治疗分子的载体，从而实现对肿瘤的精准治疗。
丹娜法伯癌症研究院Rizwan Romee和密西根大学李嘉禾团队利用非致病性的大肠杆菌（E. coli）携带IL18 DR18这一种创新的方法，旨在通过增强免疫反应来治疗癌症。IL18是一种免疫激活细胞因子，能够促进Th1细胞和NK细胞的活性，从而增强抗肿瘤免疫反应。然而，IL18的活性受到其结合蛋白的抑制。研究者通过设计抗诱饵的IL18突变体（DR18），旨在减少这种抑制作用，从而更有效地激活免疫系统。相关内容以“Non-pathogenic E. coli displaying decoy-resistant IL18 mutein boosts anti-tumor and CAR NK cell responses”为题发表在《Nature Biotechnology》上。
【主要内容】
图1 非致病性E. coli表面携带小鼠mDR18对肿瘤生长和存活的影响
研究者们通过将不同类型的大肠杆菌注射到携带结肠癌细胞(MC38)的C57BL/6小鼠中，评估了它们对肿瘤的抑制效果。结果显示，携带OmpA-mDR18的大肠杆菌能够有效控制肿瘤生长，并且与空载体(OmpA)、纯mDR18蛋白和磷酸盐缓冲液(PBS)相比，具有显著的抗肿瘤效果。此外，优化后的OmpA-mDR18细菌在较低剂量下也能显著抑制肿瘤生长，且有一半的小鼠在100天后仍然没有肿瘤。这些结果表明，工程化大肠杆菌通过表面展示mDR18能够诱导强大的CD8+ T细胞和NK细胞依赖的免疫反应，从而抑制肿瘤进展。
图2 OmpA-mDR18工程化大肠杆菌在肿瘤治疗中诱导的免疫反应和安全性
研究中，C57BL/6小鼠接种MC38肿瘤细胞后，通过尾静脉注射OmpA-mDR18大肠杆菌，然后监测肿瘤生长和存活情况。结果显示，与对照组相比，接受OmpA-mDR18治疗的小鼠展现出更好的肿瘤控制和生存益处。此外，实验还评估了工程化细菌的安全性，包括细菌在小鼠体内的分布和潜在毒性。研究发现，即使通过系统给药，OmpA-mDR18处理的小鼠也未表现出明显的毒性症状，如体重减轻或行为改变，且在重要器官中未检测到细菌，表明该治疗方法具有良好的安全性。
图3 OmpA-mDR18大肠杆菌对肿瘤微环境中免疫细胞的影响
研究发现，经过OmpA-mDR18处理的小鼠，其肿瘤组织中CD8+ T细胞、NK细胞和粒细胞的浸润明显增加，而肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和单核细胞来源的抑制细胞(M-MDSCs)的数量则有所减少。这表明OmpA-mDR18能够调节肿瘤微环境，增强免疫细胞的浸润，减少免疫抑制细胞的数量。此外，通过耗竭实验进一步证实了CD8+ T细胞和NK细胞在介导OmpA-mDR18大肠杆菌抗肿瘤反应中的关键作用，而粒细胞的耗竭对治疗效果影响不大。
图4 大肠杆菌展示人DR18（hDR18）增强CAR-NK细胞对肿瘤的杀伤能力
研究中，通过流式细胞仪检测了不同细菌骨架展示的hDR18的活性，并评估了这些工程化大肠杆菌与MSLN-CAR-NK细胞共培养后的细胞毒性。结果显示，使用YiaT232骨架携带hDR18的大肠杆菌在增强CAR-NK细胞对肿瘤细胞的杀伤能力方面最为有效。此外，体内实验表明，与系统性给予CAR-NK细胞和YiaT232-hDR18大肠杆菌治疗的小鼠相比，单独使用YiaT232或hDR18处理的小鼠在肿瘤控制和生存期方面表现较差。这些结果表明，工程化大肠杆菌通过激活NK细胞，增强了CAR-NK细胞的抗肿瘤反应。
图5 工程化大肠杆菌携带hDR18在体内增强MSLN-CAR-NK细胞的增殖、肿瘤归巢和疗效
研究中，将H226肿瘤细胞植入NSG小鼠，随后通过尾静脉注射MSLN-CAR-NK细胞，并以不同方式处理小鼠：给予PBS、YiaT232、YiaT232-hDR18或纯化的hDR18。研究发现，与对照组相比，接受YiaT232-hDR18处理的小鼠在肿瘤生长和存活方面表现出显著的改善，表明工程化细菌能够增强CAR-NK细胞的肿瘤归巢和杀伤能力。此外，通过流式细胞仪分析，YiaT232-hDR18处理的小鼠在肿瘤、肝脏、肺脏、脾脏和骨髓中的人类CD45+细胞比例增加，表明工程化细菌促进了CAR-NK细胞在这些器官中的积累。
图6 RNA测序分析揭示MSLN-CAR-NK细胞在与YiaT232-hDR18大肠杆菌共培养后基因表达的变化
研究发现，与PBS对照组相比，YiaT232-hDR18处理的NK细胞在基因表达上出现了显著差异，其中多个与肿瘤坏死因子α（TNFα）信号通过核因子κB（NFκB）途径相关的基因表达上调。这一发现表明，工程化大肠杆菌通过激活TNFα/NFκB信号通路，增强了NK细胞的活性。此外，基因集富集分析（GSEA）也确认了TNFα信号通路的显著富集，进一步证实了该通路在NK细胞激活中的关键作用。
【全文总结】
本研究成功开发了一种新型癌症免疫疗法，通过工程化非致病性大肠杆菌携带抗诱饵IL18突变体（DR18），有效激活了抗肿瘤免疫反应。在动物模型中，该疗法显著增强了CD8+ T细胞和NK细胞的活性，抑制了肿瘤生长，并在多种肿瘤模型中展现了强大的抗肿瘤效果。此外，该方法还增强了嵌合抗原受体自然杀伤（CAR-NK）细胞的肿瘤归巢和杀伤能力，为治疗抵抗性肿瘤提供了新策略。研究结果表明，这种基于细菌的免疫疗法不仅安全有效，而且能够诱导免疫记忆，为癌症患者提供了一种潜在的新治疗选择。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41587-024-02418-6