靶向肿瘤代谢异常：基于犬尿氨酸调控的工程化抗癌细菌研究

时间：2025年6月15日

来源：SCIENCE ADVANCES

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针对细菌抗癌疗法肿瘤靶向性不足的难题，Dwidar团队通过合成生物学手段构建犬尿氨酸(Kynurenine)响应的基因回路，开发出新型Salmonella enterica工程菌AD95+。该菌株通过KynR-Pkyn 双质粒系统实现微摩尔级Kynurenine感应，在TNBC（三阴性乳腺癌）和OC（卵巢癌）模型中展现2.3万倍肿瘤/肝脏特异性，较经典VNP20009菌株显著提升安全性并抑制肿瘤生长，为精准菌群疗法提供新范式。

在抗癌治疗的前沿领域，细菌疗法正展现出独特潜力。某些细菌如Salmonella enterica（沙门氏菌）能天然富集于肿瘤组织，通过直接杀伤和激活免疫发挥双重作用。然而这一"以菌治癌"策略面临核心矛盾：强毒株虽疗效显著但安全性差，而减毒株又往往疗效不足。更棘手的是，现有工程菌如明星菌株VNP20009虽通过嘌呤营养缺陷型改造获得一定肿瘤靶向性，但在临床试验中仍面临剂量限制性毒性，其肿瘤/正常组织分布比约1000:1的"精准度"显然不够。如何让抗癌细菌像"智能导弹"般精准锁定肿瘤，成为领域内亟待突破的瓶颈。

美国克利夫兰诊所的研究团队独辟蹊径，将目光投向肿瘤特有的代谢"指纹"——犬尿氨酸(Kynurenine)。这种色氨酸代谢产物在TNBC和OC等实体瘤中浓度可达健康组织的16倍，是免疫抑制微环境的关键介质。研究团队设想：若能构建只在肿瘤Kynurenine微环境中存活的工程菌，就能实现代谢依赖的精准靶向。相关成果以封面论文形式发表于《SCIENCE ADVANCES》。

研究采用多学科交叉策略：通过生物信息学分析TCGA数据库确认IDO1/TDO2在TNBC的过表达；利用LC-MS/MS定量22例临床样本和小鼠模型的Kynurenine分布；采用合成生物学手段从Pseudomonas aeruginosa等菌种中筛选KynR-P_kyn
调控元件，通过双质粒放大系统（含oriL复制子）实现信号级联放大；结合CRISPR基因编辑构建murI^-
/asd^-
双敲除菌株；在4T1和KPCA.A等小鼠模型中评估肿瘤靶向性与治疗效果。

【Kynurenine在TNBC和OC中的富集特征】
分析TCGA数据发现TNBC中IDO1表达显著高于正常组织（P=0.036）。LC-MS/MS检测显示TNBC患者组织Kynurenine达7.5±4.1 nmol/g，是健康组织的16倍；OC恶性标本为3.4±1.2 nmol/g，显著高于良性组（P=0.01）。小鼠模型中，4T1和KPCA.A肿瘤Kynurenine分别达3.4和3.8 nmol/g，均显著高于其他器官。

【Kynurenine感应系统的优化】
从P. aeruginosa克隆的原始KynR-P_kynB
回路仅能实现3倍诱导。通过RBS优化、添加Mtr转运体（由PJ23113启动子控制），并将P. fluorescens的P_kynU
与C. necator的P_kynB
分别控制报告基因和repL复制蛋白，构建出pKynR5双质粒系统。该设计使E. coli和S. enterica在5 μM Kynurenine下分别实现83和87倍诱导，动态范围覆盖肿瘤生理浓度（1-10 μM）。

【代谢依赖型菌株构建】
敲除细胞壁合成关键基因asd（编码DAP合成酶）和murI（编码d-谷氨酸消旋酶）后，通过pKynR7系统实现双基因的Kynurenine调控表达。最终获得的AD95+菌株在无Kynurenine时完全抑制生长，在1-10 μM时呈现剂量依赖性增殖，且质粒稳定性达100%（n=3）。

【肿瘤靶向性验证】
在KPCA.A模型中，AD95+静脉注射7天后肿瘤/肝脏比达23,000:1，较VNP20009m（1,000:1）提升20倍。NSG小鼠双侧肿瘤实验证实：AD95+在4T1-IDO1（Kynurenine+）肿瘤的定植量是4T1-EV（Kynurenine-）的18倍（P<0.01），而VNP20009m无此选择性。值得注意的是，AD95+对低Kynurenine肿瘤（0.5 nmol/g）仍保持1,000:1的靶向性。

【治疗效应与安全性】
每周1×10⁷
CFU剂量下，AD95+组存活率90%（9/10），显著高于VNP20009m组的40%（4/10）。组织学显示VNP20009m引起肝脏>100 μm淋巴细胞浸润灶，而AD95+仅见轻微炎症。低剂量（2×10⁶
CFU）时，AD95+使KPCA.A肿瘤体积减小47%（vs PBS组），且不引起IFN-γ、IL-6等细胞因子风暴。

这项研究开创性地将肿瘤代谢特征转化为细菌治疗的"导航信号"，其创新价值体现在三方面：技术上，首创Kynurenine响应的基因回路放大系统，实现微摩尔级精准调控；临床上，AD95+菌株突破现有细菌疗法的安全性瓶颈，为TNBC和OC等难治肿瘤提供新选择；理论上，证实代谢重编程可增强微生物疗法的空间特异性。未来通过搭载化疗前药转化酶或免疫调节因子，该平台有望发展成"活体精准给药系统"。研究也提示，结合IDO1抑制剂可能扩大适用人群，而双代谢控制（如联合嘌呤缺陷）或可进一步提升靶向性。这项成果标志着合成生物学与肿瘤免疫治疗的深度交融，为第三代智能微生物疗法奠定基础。