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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