微纳微生物燃料电池驱动的生物电化学肿瘤治疗新策略——重塑免疫抑制微环境并诱导焦亡

在当今癌症治疗领域，结直肠癌(CRC)始终是最具挑战性的恶性肿瘤之一。其治疗难点主要源于三方面：肠道生理屏障限制药物递送，致密的细胞外基质阻碍治疗剂渗透，以及免疫抑制性肿瘤微环境(TME)导致治疗抵抗。特别是Warburg效应驱动的乳酸(LA)积累，不仅酸化了肿瘤微环境，还抑制了细胞毒性T细胞功能并促进调节性T细胞(Tregs)扩增，为肿瘤免疫逃逸创造了条件。虽然纳米医学在药物递送、光热治疗和免疫调控方面取得进展，但口服纳米药物仍面临胃肠道稳定性差、快速清除和黏液穿透效率低等挑战。

在此背景下，天津大学姬晓元团队在《Nature Communications》发表了一项创新研究，开发了一种微纳微生物燃料电池(MFC)系统，将脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans, Dsv)作为生物电子供体，二氧化锰(MnO₂)作为催化电子受体，通过生物电化学作用实现肿瘤调控。研究人员构建了Dsv@MnO₂-NE-PEG系统，其中去甲肾上腺素(NE)增强黏膜粘附性，聚乙二醇(PEG)介导黏液穿透，显著提高了肿瘤定植效率并延长了滞留时间。

研究采用的主要技术方法包括：微生物燃料电池构建与电化学性能测试、细菌膜蛋白电泳分析(TMBZ染色鉴定血红素蛋白)、X射线光电子能谱(XPS)分析元素价态、体外模拟胃肠道环境评估细菌活性、流式细胞术(FCM)分析免疫细胞表型、16S rDNA测序分析肠道菌群，以及原位结直肠癌小鼠模型的治疗效应评估。

细胞外电子转移机制与微生物燃料电池构建

研究团队首先解析了Dsv的胞外电子转移(EET)机制。

研究显示Dsv通过直接电子转移(DET，通过多血红素细胞色素和导电菌毛)和间接电子转移(IET，通过电子穿梭体)两种机制实现电子传递。构建的双室MFC中，使用MnO₂作为阴极使产电荷量提高了2.21倍，证实了其作为高效电子受体的能力。

微纳MFC构建与协同催化效应

通过原位矿化法在Dsv表面合成MnO₂纳米颗粒，形成Dsv@MnO₂复合物。

XPS分析表明MnO₂被还原为Mn²⁺，电子在生物-纳米界面重新分布。该系统显著提高了胞外聚合物(EPS)分泌、生物量和电子传递系统(ETS)活性，并展现出强大的·OH生成能力和乳酸消耗特性。

微纳MFC的体外抗肿瘤效应

研究发现Dsv@MnO₂对CT26肿瘤细胞具有特异性杀伤作用，而对正常NCM460细胞毒性较低。机制上，Dsv@MnO₂处理组产生活性氧(ROS)水平最高，引起线粒体膜电位下降和DNA损伤(y-H2AX表达增加)，并通过H₂S生成干扰肿瘤细胞代谢。活/死细胞染色和流式细胞术证实Dsv@MnO₂组细胞死亡率最高。

微纳MFC电刺激介导肿瘤细胞从凋亡向焦亡转化

研究揭示了生物电刺激引起肿瘤细胞死亡模式转变的关键机制。

透射电镜显示Dsv可被肿瘤细胞内化或附着于细胞表面，通过EET活动破坏跨膜电位，引起Ca²⁺内流和细胞内钙超载。同时，Dsv干扰线粒体电子传递链，抑制ATP合成和Ca²⁺外排，进一步加剧钙超载，激活Caspase-3依赖性焦亡。Western blot检测到gasdermin E(GSDME)裂解，证实了焦亡的发生。Dsv@MnO₂处理组表现出最高的ATP和LDH释放水平，表明细胞膜破裂和促炎信号增强。

微纳MFC的体外免疫激活效应

研究证实微纳MFC系统通过双重机制激活免疫应答：消耗乳酸逆转免疫抑制，以及MnO₂还原产生的Mn²⁺激活cGAS-STING通路。

Western blot显示MnO₂和Dsv@MnO₂组中STING、TBK1和IRF3磷酸化水平显著增加。体外共培养实验表明，Dsv@MnO₂处理能促进M1型巨噬细胞极化、树突状细胞(DC)成熟，增强CD8⁺ T细胞浸润并减少Tregs比例。

体外厌氧靶向及克服胃肠道屏障

研究团队通过NE修饰增强黏膜粘附，PEG化改善黏液穿透，构建了Dsv@MnO₂-NE-PEG系统。体外模拟胃肠道实验表明，MnO₂矿化层为细菌提供保护作用，显著提高了在模拟胃液中的存活率。Transwell和微流控芯片实验证实该系统具有高效的缺氧靶向能力和黏液穿透能力。

微纳MFC的体内分布及抗肿瘤功效

通过近红外荧光成像追踪发现，Dsv@MnO₂-NE-PEG口服后4小时即在肿瘤部位出现显著荧光信号，并可持续12小时以上。

在原位CRC模型中，Dsv@MnO₂-NE-PEG治疗组表现出最强的肿瘤抑制效果，且未引起明显体重下降或系统毒性。H&E和TUNEL染色显示该处理组肿瘤组织破坏最严重，坏死细胞最多。

微纳MFC的体内免疫激活能力

研究进一步证实了微纳MFC系统的免疫调节功能。流式细胞分析显示，Dsv@MnO₂-NE-PEG处理组肿瘤引流淋巴结中DC成熟标志物(CD86、CD80)表达最高，脾脏中CD4⁺和CD8⁺ T细胞比例显著增加。肿瘤组织中，M1型巨噬细胞(CD86⁺CD206^-)比例升高，CD8⁺ T细胞浸润增强而Tregs减少，成功将免疫抑制性微环境转化为免疫活化状态。

肠道菌群调节

16S rDNA测序分析发现，CRC小鼠肠道菌群多样性和丰度显著降低。Dsv@MnO₂-NE-PEG处理后，菌群组成更接近健康小鼠，有益菌Akkermansiaceae和Ruminococcaceae相对丰度增加。粪便菌群移植(FMT)实验证实，移植处理组菌群的小鼠肿瘤生长受到抑制，表明菌群改变与抗肿瘤效应直接相关。

本研究开创性地将微生物燃料电池技术与生物电化学肿瘤治疗相结合，建立了微生物-无机杂化系统用于结直肠癌治疗。通过利用Dsv作为生物电子供体和MnO₂作为催化电子受体，设计的微纳MFC不仅能增强胞外电子转移，还能诱导肿瘤选择性氧化应激，调节免疫微环境，并实现靶向治疗递送。该系统通过生物电化学相互作用破坏肿瘤代谢，促进免疫原性细胞死亡，将肿瘤细胞死亡方式从凋亡转变为焦亡，显著增强抗肿瘤免疫应答。

该研究的重要意义在于提出了细菌癌症治疗的范式转变，通过生物电化学调节增强肿瘤靶向、免疫激活和代谢干预，提供了多维度治疗策略。与传统主要依赖缺氧靶向和细菌介导的直接细胞毒作用的细菌疗法相比，该方法整合了生物电化学活性和肿瘤免疫调节，具有肿瘤定植效率高、生物电驱动肿瘤细胞焦亡、代谢重编程肿瘤微环境以及调节肠道菌群组成等多重优势。

未来研究可关注通过基因工程优化细菌电子转移效率，以及与免疫检查点阻断(ICB)联合治疗增强T细胞抗肿瘤免疫。长期研究应探索该疗法是否能诱导持久的免疫记忆反应，降低肿瘤复发和转移风险。临床转化需要进行全面的安全性评估，包括工程化细菌的宿主免疫反应和系统放大可行性等问题。

总之，该研究建立了一个微生物-无机杂化系统，将生物电化学调节、肿瘤代谢重编程和免疫激活整合到单一口服平台中。通过微生物电子传递和MnO₂催化的协同作用，Dsv@MnO₂-NE-PEG实现了精确肿瘤靶向、焦亡诱导和免疫微环境重塑，在毒性最小的情况下产生强大的抗肿瘤效果，为结直肠癌治疗及其他实体瘤提供了创新且高度可转化的治疗策略。