合成生物學：細菌遞送藥物

2016年08月16日訊 研究人員在細菌內(nèi)構建基因回路，控制細菌的基因表達，使其能反復且同步地將藥物遞送到小鼠腫瘤處，從而實現(xiàn)殺傷腫瘤的目的。

人類和細菌的寄生、共生關系歷史悠久?，F(xiàn)在，Din等人利用合成生物學，改造細菌，實現(xiàn)了治療疾病的目的。這些細菌在抵達目標位置時，會同步自發(fā)地裂解自殺，釋放藥物，一方面最大化藥物遞送效率，一方面最小化藥物毒性。

在人體中，某些部位適宜細菌生存--如腸的厭氧管腔。這些環(huán)境的一個共同特點是氧含量低。實體瘤中氧含量也相對低，因為腫瘤細胞增殖過快，對氧氣需求增加，而腫瘤脈管系統(tǒng)結構和功能異常，血供不足。腫瘤的低氧區(qū)域相對免受免疫系統(tǒng)的攻擊，適宜細菌定植和生長。

一個多世紀以前，就有人提出，利用細菌來對抗癌癥。1891年，William B. Coley醫(yī)生使用鏈球菌感染病人，企圖激活免疫系統(tǒng)來對抗癌癥。該方法備受爭議，因為患者響應不一致，而且鏈球菌感染具有一定毒性。但隨著對腫瘤微環(huán)境了解的深入，以及基因工程工具的出現(xiàn)，科學家們看到了產(chǎn)生更有效、低毒的鏈球菌的希望?，F(xiàn)在，幾個細菌菌株已被開發(fā)成癌癥治療劑，且它們在動物模型上效果顯著。

細菌可以通過競爭營養(yǎng)、分泌毒素和引發(fā)宿主的免疫反應來破壞病變組織。此外，經(jīng)過基因工程化的細菌還具有其它抗腫瘤特性。相比于病毒（也在癌癥治療中有所使用），細菌攜帶非天然DNA的能力更強。細菌中可引入長達幾千對堿基的DNA片段，大腸桿菌中可轉(zhuǎn)入大于300 kb的人工染色體。因此，從理論上來說，細菌可以作為有效的藥物遞送載體，攜帶編碼和調(diào)控治療模式的基因回路。

癌癥治療的理想藥物輸送系統(tǒng)要滿足兩條要求：1、選擇性地把藥物遞送到腫瘤，以減少對健康組織的損害；2、以可控的方式釋放藥物。Din等人在嘗試開發(fā)這樣的系統(tǒng)時，采用了一種“群體感應”基因回路，使細菌彼此交流，群體性地對變化產(chǎn)生響應，調(diào)控基因表達。

在之前的研究中，研究者們使用了合成生物學來構建大腸桿菌中的“群體感應”基因電路。LuxI、LuxR和?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL）在該回路中具有重要作用。LuxI 酶催化AHL分子的合成，而LuxR則是AHL受體蛋白，可激活細菌群體感應轉(zhuǎn)錄效應。當細菌種群密度低，LuxR表達水平較低，合成的AHL分子不會在細胞積聚，而是迅速擴散到胞外。當細菌密度增加時，由于胞外AHL濃度梯度，導致AHL在細胞內(nèi)積累。一旦胞內(nèi)AHL濃度達到一定閾值，AHL分子與LuxR結合。反過來，LuxR激活PluxI啟動子，從而啟動靶基因的表達。值得注意的是，AHL可以穿過細胞膜擴散，所以群體細菌中的AHL濃度基本相同，確保了細菌群體中基因表達程序的同步執(zhí)行。

在目前的研究中，Din等人使用該基因回路，控制鼠傷寒沙門氏菌的細菌毒素釋放。在這個系統(tǒng)中，PluxI促進編碼四種蛋白的基因表達--LuxI；藥物；熒光蛋白（幫助檢測群體動態(tài)和藥物釋放），以及源自細菌病毒φX174（圖1）的裂解蛋白E。當細菌群體密度達到臨界值時，幾乎所有細菌細胞中PluxI驅(qū)動的轉(zhuǎn)錄程序啟動，導致細菌合成藥物和裂解蛋白，隨后細菌裂解，藥物釋放。群體中少數(shù)幾個細菌能存活下來，進入下一個周期。結果是周期性的細菌裂解和藥物遞送。為了證實療效，Din等人使用這種細菌治療腫瘤小鼠，發(fā)現(xiàn)細菌確實顯示出同步周期性動態(tài)變化，且無論單用還是與化療聯(lián)用，都具有一定療效。

研究者們沒有直接比較這種細菌與常規(guī)方法生產(chǎn)的、連續(xù)產(chǎn)生治療蛋白的微生物的治療效果。無論如何，這種新細菌與常規(guī)微生物療法截然不同。首先，藥物釋放是通過細菌的群體性裂解釋放的，而不是通過連續(xù)分泌的方式釋放；第二，周期性裂解更為安全，因為把細菌數(shù)目控制在一定范圍內(nèi)，有助于防止引起全身性炎癥的危險。

盡管有這些特征，單靠細菌（是否工程化與否）是不可能根除腫瘤的。在目前的研究中，這種新細菌與化療聯(lián)用，并沒有完全消滅腫瘤；18天后，腫瘤開始復發(fā)，繼續(xù)長大。如果想進一步提高療效，就需要把這種新細菌和免疫療法或其它更有效的抗癌藥物聯(lián)用。

周期性藥物釋放對那些需要定期服藥的病人，如糖尿病和高血壓病人而言可能更有效。治療非癌性疾病，也可能采用利用天然的病灶環(huán)境定植細菌的療法。同樣，研究者們也可以考慮設計一種可植入、半通透、小分子和蛋白質(zhì)可通過，而細菌不能通過的容器來容納工程化細菌。使用周期性裂解細菌治療非癌癥類疾病的一個難點在于，細菌裂解后產(chǎn)生的產(chǎn)物可能被血管吸收并累積，從而引起全身毒性效應。選擇低毒的細菌菌株或創(chuàng)建減毒株（例如，通過刪除編碼內(nèi)毒素的msbB基因）可以克服這個問題。

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