這是《腸道產業》第 243 篇文章
編者按：
人工智能的興起促進了生物醫學領域預測診斷的發展，而另一高歌猛進的領域——機器人技術同樣也推動了生物醫學診療手段的進步。
當然，我們今天要說的不是醫院裡引導人們就診、問詢的機器人，而是一種可以注入到體內發揮治療作用的納米級機器人。實際上，在癌症領域，納米級機器人已經有了初步的應用，但是人工製造的許多納米藥物靶向性和精準性仍有待提高。
而解決這一問題的最好手段就是將合成生物學和機器人技術結合，利用這兩個領域的先進技術對微生物進行改造，將其變成新型的納米級機器人與腫瘤戰鬥。
今天我們特別編譯發表在 The Scientist雜誌關於改造細菌治療腫瘤的文章。希望該文章能夠為相關的產業人士和讀者帶來一定的啟發與幫助。
納米機器人用於臨床治療
在 1966 年上映的科幻電影《神奇的旅程》中，幾位科學家被縮小成原來的幾百萬分之一併將他們置於水中，然後注射進一位患者的體內進行血管手術，以清除患者大腦裡致命的血塊。這部經典電影是過去幾十年裡許多登上大銀幕的充滿想象力的生物旅程之一。
與此同時，科學家們一直在致力於將類似的設想變成現實: 利用微型機器人漫遊人體，以實現探測和治療疾病的目的。
雖然擁有納米馬達和可自主導航的機載計算機系統，仍然是電影中虛構的素材，但是，研究人員們已經設計併成功構建了大量可用於診斷和治療的納米級別的系統，尤其是在癌症領域，這些系統可以被視為納米機器人的雛形。
自1995年以來，美國食品和藥物管理局（FDA）已經批准了 50 多種納米藥物（基本上是某種包含藥物的納米級別的設備）。
如果這類藥物具有一個或多個機器人特徵，如傳感、機載計算、導航或自動供電等，那麼，科學家們就可能會將其稱為納米機器人。它可能是一種納米級別的載體，可攜帶藥物，並導航到或優先聚集在腫瘤部位，且只有在特定的觸發條件下才會被打開並釋放藥物。
第一個被批准的納米藥物是 DOXIL，它擁有納米級別的脂質體外殼，可攜帶化療藥物阿黴素。它非選擇性地殺死細胞，通常被用於治療一系列癌症。由於血管系統的滲漏和淋巴系統的引流不暢，經靜脈給藥的納米殼層會優先在腫瘤部位形成積聚。在那裡，隨著時間的推移，納米顆粒會緩慢地釋放出藥物。
從這個意義上說，納米機器人的基本形式已經應用於臨床。
圖.鼠傷寒沙門氏菌
如何精確導航到腫瘤？
科學家可以操縱控制納米顆粒的形狀、大小和組成，以提高腫瘤靶向性，而較新的系統則採用專門識別癌細胞的策略。然而，精確導航到腫瘤位置，仍然是納米機器人研究和發展的一個可望而不可及的目標。
2016 年的一項薈萃分析對過去 10 年裡動物研究中使用到的納米設備的傳輸效率進行了評估。他們發現，實際上只有平均不到 1%的注射性納米傳輸設備最終到達了腫瘤部位, 而這種低下的傳輸效率，只能利用主動靶向機制進行修飾才能得到輕微的改善，例如用特異性抗體或腫瘤特異性受體結合肽去修飾納米設備的表面。
我們怎樣才能讓這些納米機器人更好地進行自我控制併成功到達腫瘤的位置呢？
能量傳輸是一個巨大的挑戰，電池在納米尺度上並不高效。
研究人員們嘗試利用超聲波或磁場等外力，來促進納米藥物對腫瘤組織的精確制導，但循環系統的流體動力學對納米設備來說，卻會起到相反的作用，因為納米設備的表面積與體積之比是米級別的物體的 10 億倍，這使得表面受到的阻力加強了: 對於納米顆粒來說，當它在血管系統的液體環境中航行時，可能會感覺像在蜂蜜中移動一樣。
對此，大自然可能為我們提供了一個解決辦法: 細菌。在液體中，微生物在分子馬達的驅動下自主遊動，並且它們的纖毛或鞭毛以類似軟木塞的方式旋轉——這是一種非常有效的推進機制，激發了許多納米生物學家的靈感，他們試圖模仿這種功能。
例如，研究人員們已經制造出了螺旋形的磁性游泳器，它可以通過旋轉磁場的方式向前旋轉。
但細菌，尤其是在治療癌症方面，不僅僅是高效“游泳”的好榜樣，有些細菌甚至本身就具備著治療作用。此外，微生物還可以感知來自外部環境中的生化信號，並相應地調整它們運動的軌跡，這與我們所設想的機載計算系統非常的類似。
利用細菌來治療癌症的想法，並不新鮮。最早將細菌作為癌症治療手段的研究之一，來自於免疫治療的先驅 William Coley，他在 19 世紀晚期就意識到，一些癌症患者如果同時患有皮膚感染，那麼，他們病情好轉的可能性會更大。
於是，他開始向患有無法實施手術治療的骨癌和軟組織癌的病人注射細菌毒素、熱滅活的微生物，甚至是活的鏈球菌培養物，而這些舉措通常會帶來病情的緩解。
這是一種大膽的方法，因為在抗生素廣泛使用之前，這些細菌配方可能會導致無法控制的感染。在很大程度上是由於存在這種危險，以及放射療法和化療這兩個新興概念表現出很好的前景，所以，細菌作為癌症治療劑的臨床應用進展緩慢。
今天，這種革命性的想法正在經歷著復興。
由於生物學、化學、材料科學、工程學和計算機科學等學科領域的融合，癌症細菌療法的新途徑正在開闢。得益於 DNA 測序和合成成本的降低，以及類細菌行為的定製遺傳設計的合成生物學方法的建立，這些工具包將為微納米機器人這一新興領域的發展鋪平道路。
圖.改造細菌抵抗癌症：A．細菌炸彈：加州大學聖地亞哥分校的 Jeff Hasty 與麻省理工學院的 Sangeeta Bhatia 合作，設計出了一種減毒沙門氏菌腸內菌株，當該細菌種群達到臨界密度時會同步釋放癌症治療藥物，以實現在小鼠腫瘤中的定期給藥；B．用於成像的納米結構：加州大學伯克利分校的 Mikhail Shapiro 和他的同事們對微生物進行改造使其產生一種叫做氣體囊泡的結構，該結構可以散射超聲波產生回聲，從而對微生物進行定位；C．磁輔助導航：蒙特利爾理工大學的 Sylvain Martel 和他的同事們將含有藥物的納米脂質體附著在一種被稱為 MC-1 的磁性細菌株上，使得研究人員們能夠利用磁場引導該細菌進入到腫瘤中，使之在該部位傳遞治療物質或者作為成像造影劑；D．光照射腫瘤：中國武漢大學的張先正團隊利用光照來增強大腸桿菌的代謝活動，使其產生更多的細胞毒性物質以抑制腫瘤生長。
具有抗癌有效載荷的細菌
卡介苗（BacillusCalmette-Guerin, BCG）是一種減毒細菌，通常用作結核病的疫苗株。過去幾十年，卡介苗被重新用於局部治療膀胱癌。這種方法背後的概念與 Coley 的假設相似，即注射細菌可以刺激病人的免疫系統，使其對抗癌症。
更好的是，儘管 Coley 不知道，許多細菌（非 BCG，且具體原因尚不清楚）也有可能選擇性地在實體腫瘤、膀胱以及其他地方生長。在腫瘤的缺氧和酸性環境中免疫監視的減弱為厭氧菌提供了生長和繁殖的安全港。而在腫瘤內部，一些細菌會產生毒素並與癌細胞競爭營養物質。最終，細菌在腫瘤內的積累，會誘導免疫細胞的浸潤，從而導致抗癌反應的產生。
然而，儘管已經在動物癌症模型中測試了許多自然產生的和實驗室製造的菌株，並且已經進行了相關的人體試驗，但是遺憾的是，研究人員發現，除了在膀胱癌患者身上繼續觀察到的益處之外，其他患者幾乎沒有顯示出療效。
因此，該領域已經開始轉向基因工程細菌，把其作為重組有效載荷的“渡船”。腫瘤中細菌的選擇性靶向和隨後的生長，以及微生物本身的局部治療效果，可以最大限度地減少對健康細胞的附帶損害，這是系統性癌症治療的常見做法。
有幾個研究小組已經將細菌改造以製造出各種各樣的物質，包括抗癌毒素、細胞因子和誘導細胞凋亡的因子等。
如果我們需要這些細菌製造有潛在毒性的治療藥品，那麼我們就需要進一步對這些細菌進行控制，以防止它們定植在不應該定植地方。因此，研究人員現在正朝著設計下一代細菌系統的方向前進，以使細菌能夠感知生理信號，併發揮局部療效。
為了實現這一目標，在過去 20 年裡，合成生物學領域已經開發出一套控制微生物行為的基因迴路。這些迴路由正反饋和負反饋元件組成，用以調節細胞的動態功能，並充當撥動開關、振盪器、計數器、生物傳感器和記錄器等工具，以幫助研究人員用來設計抗癌微生物。
基因控制抗癌細菌的一個例子是，加州大學聖地亞哥分校的 Jeff Hasty 團隊與麻省理工學院的 Sangeeta Bhatia 實驗室合作，於 2016 年開發出了同步裂解電路。在這個遺傳回路中，細菌被定位到腫瘤部位並生長到一個臨界密度，然後同步地破裂，釋放出這些細菌所產生的治療化合物。
這種方法利用了自然界中的細菌群體感應，並對以前所開發的細菌療法進行改進。在原來的方法中細菌都能自主產生藥物，這意味著它們可能在身體的非指定區域產生和釋放治療物質。而在新的方法中，因為細菌只在腫瘤部位達到臨界密度，所以，它們只會在那裡自毀並釋放它們的治療有效載荷，這阻止了腫瘤或其他部位的細菌不受控制的生長。
在結直腸肝轉移小鼠模型中，與單純化療或單純細菌治療相比，該系統與化療聯合使用可使生存率提高兩倍。
這幾個研究小組進一步發展了這種方法。例如，在 2019 年，該小組的研究成員與哥倫比亞大學微生物學家和免疫學家 Nicholas Arpaia 及其同事創造出了一種細菌，這種細菌產生的分子可以阻斷免疫檢查點，如 CD47 或 PD-L1。
這些分子通常會抑制免疫細胞，從而降低抗腫瘤活性。而在腫瘤中阻斷這些通路，細菌就能夠啟動 T 細胞，並促進淋巴瘤小鼠模型中癌症的清除。最令人驚訝的是，在接受治療的動物體內，未經治療的腫瘤也縮小了，這表明局部啟動可以觸發遠端和持久的抗腫瘤免疫。
利用細菌治療癌症的方法正開始引起生物技術工業界的注意。
BioMed Valley Discoveries 公司已經在幾項臨床試驗中，對注射 Clostridium novyi-NT 的孢子進行了測試。這是一種專性厭氧菌，只能在低氧條件下生長，並且經過基因減毒處理，因此不會產生致命的毒素。根據 2014 年的一份報告，在老鼠、犬和一個人類病人身上，這種治療顯示出“精確、有力和可複製的抗腫瘤反應”。
另一家公司，Synlogic 公司，正在開發一種可在腫瘤內注射的細菌，這種細菌可以產生出一種可以激活先天免疫的激動劑——干擾素基因刺激因子 STING 激動劑。這些細菌可以被已經滲入腫瘤的抗原呈遞細胞感知和吞噬，在這些免疫細胞中它們會激活 STING 通路，從而引發干擾素的釋放和腫瘤特異性T細胞反應。
一期臨床試驗正在評估該療法對難以治療的實體腫瘤的治療效果，並計劃與檢查點抑制劑聯合使用。
這些試驗和其他試驗的結果將有助於指導工程細菌癌治療方法的安全性和功效方面的進一步的創新。
例如，這些研究不僅將有助於瞭解治療效果，而且還有助於知悉細菌定殖水平、細菌在患者腫瘤中的分佈、脫落或脫靶定殖，以及基因編輯的穩定性等（這些都只在小鼠模型中詳細研究過）。一旦我們在人體上建立了原理論證，就會對確定最佳的菌株、有效載荷、迴路和使用這些類型的治療適當的臨床環境等提供強有力的推動力。
圖.大腸桿菌
對細菌的遠程控制
雖然研究人員們已成功地利用細菌來攜帶或生產抗癌化合物，但是，目前只有不到1%的微生物能自行到達腫瘤。由於大多數的腫瘤不能通過直接注射治療，臨床醫生們需要能夠有效引導細菌到腫瘤部位的方法，並且保證微生物在目標處可靠和可控地釋放它們所編碼的有毒藥物。
這就是合成生物學受到微型機器人原理影響的地方。例如，大腸桿菌可以利用海洋微生物的基因來感知和利用光能。在 2018 年，愛丁堡大學的 Jochen Arlt 和他的同事們證實了，可以通過空間模式的光場引導這種能進行光合作用的大腸桿菌菌株。
根據光照模式，細菌會移動到特定的位置。通過跟蹤它們的位置，並不斷給出下一個光輸入信號就可以引導它們沿著預先設定的路徑前進——這一過程被稱為閉環控制，是機器人技術的基礎部分。
同年，中國武漢大學的張先正教授和他的同事們通過給細菌細胞膜附著納米材料，並使用光驅動，將細菌的細胞毒素產量增加了 37 倍。這是因為納米材料在光的照射下會釋放出光電子，進而促進毒素的合成。
在一個乳腺癌小鼠模型中，這些厭氧細菌被發現會在腫瘤的低氧微環境中發生積累，並且能夠在光的照射下促進細胞毒素的產生，從而導致大約 80%的腫瘤生長抑制。這是一個說明如何將合成材料整合到活細菌中，從而實現對某些動作或功能的遠程控制的例子，它借鑑了經典機器人技術的另外一個功能。
雖然光學觸發導航和控制有著巨大的潛力，但是光穿透組織的能力有限，從而阻礙了該方法的應用，而另一種被更廣泛使用的外部能量形式是超聲波，它在醫學診斷和監測方面的應用由來已久。
最近，充氣微氣泡由於其強烈而明顯的聲學響應，被用於增強組織中超聲圖像的對比度，而特殊形式的高功率聚焦超聲已被應用於治療中：通過利用聲壓波作為外部能量，促進藥物填充的納米氣泡深入到腫瘤組織中去。由於在藥物治療中，血腦屏障特別難以克服，因此，這種方法在膠質母細胞瘤中所取得的成果，就顯得特別有應用前景。
幾年前，研究人員們使用超聲波在體內追蹤治療細菌。加州理工學院的 Mikhail Shapiro 和他的同事們，通過基因工程設計了一種細菌，這種細菌可表達“聲報告基因”（acoustic reporter genes, ARG）。這種基因編碼了一種叫做氣體囊泡的中空結構。該“氣泡”結構可以散射超聲波，產生回聲，從而使得研究人員能夠探測到細菌在活體老鼠深處的具體位置。
磁場是最常見的可以安全、遠程地應用於人體的外部能量。雖然磁共振成像系統已經在臨床上使用了幾十年，但磁製導及其控制系統的發展，仍處於初始狀態。不過現在研究人員們已經能夠應用該方法在高精度手術中實現對磁性導管的精確引導。
最著名的例子是來自聖路易斯的用於治療心律失常的立體定向 NIOBE 系統。磁性導管的尖端被精確地引導向異常的心臟組織，在那裡，通過電脈衝加熱或冷卻該設備，以實現對失活的細胞燒蝕。
在癌症治療中使用類似的磁性儀器來引導細菌，是由研究磁性細菌的團隊提出的。
磁性細菌是一種海洋微生物，能夠自然地合成一串包裹在脂質外殼中的氧化鐵納米顆粒。經過進化後，這種特性可感應地球磁場，進而幫助磁性細菌在水中航行時，進行定位。換句話說，這些串狀結構，在磁性細菌的單細胞體內的作用，就像指南針一樣。這一特徵由馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋研究所的 Richard Blakemore 在 20 世紀 70 年代首次發現的。
大約 40 年後，蒙特利爾理工大學納米機器人實驗室的 Sylvain Martel 及其同事們，將這些趨磁細菌與 DOXIL 結合起來。DOXIL 是一種脂質體包裹的化療藥物，獲得了第一個被批准的納米藥物的稱號。
厭氧菌傾向於聚集在產生低氧環境的腫瘤部位上。Martel 的團隊也利用了厭氧菌的這一特性，並將這一自然的定向機制與外部定向磁場相結合，實現了厭氧菌在小鼠腫瘤中積累和滲透的增加。
在最近的另一個研究中, Simone Schuerle 和麻省理工學院及蘇黎世聯邦理工學院的研究人員們一起, 利用芯片上的組織模型表明, 應用旋轉磁場可以推動成群的趨磁細菌產生出強大的推力，從而驅使與之相伴的納米藥物離開血管，深入到組織中去。
雖然這種趨磁物種在人體內部的應用可能在幾十年後才會出現，但是，在其他的更具臨床轉化性或已經過測試的細菌菌株中編碼磁感應功能，卻是近期內便可實現的目標。因為，在趨磁細菌中形成磁性化合物的複雜生物礦化過程中所涉及到的幾種蛋白質已被發現。
在今年早些時候發表的一份預印本中，研究人員報告報道說，他們對大腸桿菌進行了基因編輯，使之可形成磁鐵礦顆粒，並通過外部磁場來控制它們的運動行為。
另一種利用磁場來控制非磁性細菌的方法是將磁性材料附著在細菌上。研究人員們已經將一種甚至多種細菌菌株與磁性微粒子或納米粒子相結合。當暴露在外部磁場中時，這些磁性顆粒會隨著磁場的方向而發生位移，隨之，細菌也會隨著磁場的方向而發生相應的移動。
2017 年，德國斯圖加特馬普智能系統研究所的 Metin Sitti 及其同事們，將大腸桿菌附著在由化療藥物阿黴素和微小磁性納米顆粒層所構成的微粒上。研究人員們將癌細胞置於培養皿中，並通過研究發現，他們可以用磁鐵遠程控制這些攜帶藥物的細菌機器人的運動。而與僅僅向腫瘤細胞中添加藥物微粒子的方法相比，該方案可以提高藥物對腫瘤細胞的靶向性。
無論如何，利用外部能源，提供觸發、控制和引導的基因工程細菌，是該領域的一個極具吸引力的新方向。在合成生物學、機械工程和機器人技術相互融合的推動下，這些新方法可能會讓我們更加接近微型機器人的神奇願景，幫助我們消滅多種癌症。
原文編譯自：
https://www.the-scientist.com/features/bacteria-as-living-microrobots-to-fight-cancer-67305
作者｜Simone Schuerle 和 Tal Danino
編譯｜朱國利
審校｜617
編輯｜笑咲
