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Nature丨精准癌症疫苗的新战术——微生物免疫治疗载体

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-11-15 08:37

正文

撰文 | 咸姐

在自然界的广阔舞台上，细菌以其独特的异质性和免疫刺激性特质，悄然扮演着激活先天与适应性免疫的双重角色。这些微生物界的小精灵，不仅在维护生态平衡中发挥着不可或缺的作用，更在医学领域展现出了它们非凡的潜力。通过合成生物学的巧手，细菌被赋予了新的任务——安全地传递免疫调节化合物，成为增强和指导抗肿瘤免疫反应的理想载体【1】。肿瘤新抗原是在肿瘤细胞中特有而在正常组织中难觅踪迹的抗原，已经成为了免疫治疗的新星。它们以极低的风险诱发自身免疫反应，理论上也不会受到中枢免疫耐受机制的影响【2】。尽管已有多种肿瘤新抗原疫苗在临床试验中显示出了免疫反应和生存益处的希望之光，但这些益处似乎仅限于一部分患者。在这样的背景下，若能通过基因编程让细菌释放高水平的已鉴定的肿瘤新抗原，将为精确指导原位新抗原靶向提供一种全新的极具潜力的系统。

近日，来自美国哥伦比亚大学的Nicholas Arpaia团队在Nature上在线发表题为Probiotic neoantigen delivery vectors for precision cancer immunotherapy的文章，开发了一种新的微生物免疫治疗载体，不仅能够激发有效且持久的肿瘤抗原特异性免疫反应，还能抑制那些可能限制传统新抗原疫苗效果的免疫抑制机制，实现了一个能够驱动强大且特异性T细胞介导的抗癌免疫的系统，有效控制或消除了小鼠晚期原发性和转移性实体肿瘤的生长，并延长了生存期。这一突破，如同在黑暗中点亮了一盏明灯，为癌症治疗的未来照亮了新的方向。

为了实现有效的癌症免疫接种，本文研究者们开发了一种基于益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）的工程化细菌系统，以增强肿瘤细胞高度表达的、由肿瘤外显子突变衍生表位阵列的表达、传递和免疫靶向，且这些表位被预测能够与主要组织相容性复合体（MHC）的I类和II类分子结合（图1）。为了提高治疗效果，研究人员对该系统进行了多项关键设计改进：（1）优化合成的新抗原结构；（2）去除隐质粒并删除Lon和OmpT蛋白酶，以增加新抗原的积累；（3）提高细菌对吞噬作用的敏感性以增强抗原递呈细胞（APC）的摄取和MHCII类限制性抗原的呈递；（4）表达李斯特菌溶素O（LLO）以促进编码新抗原的细胞质输入和MHC I类分子的呈递以及辅助性T 1细胞（TH1）细胞类型的免疫反应；（5）通过减少血液中的生存能力和生物膜形成来提高系统给药的安全性。此外，研究人员还通过外显子和转录组测序来预测新抗原，并基于这些新抗原设计了能够激发细胞免疫的合成新抗原构建体。

通过上述合成新抗原构建体的优化和基因工程的方法，研究人员成功构建了一个微生物平台（EcNc^{Δlon/ΔompT/LLO+}），它能够跨多种肿瘤新抗原稳健地生产，减弱了免疫抵抗机制，有效地被APC摄取并激活，能够驱动对编码重组抗原特异的T细胞的强有力激活，以支持增强的细胞免疫。

图1 微生物肿瘤新抗原疫苗的设计图

为了评估该工程化细菌系统的体内效果，研究人员首先对携带晚期结直肠癌CT26肿瘤的BALB/c小鼠进行了不同方式的治疗，包括肿瘤内注射和静脉注射，使用不同的工程化EcN菌株，包括野生型EcNc（没有携带新抗原质粒）、EcNc^Δlon/ΔompT（表达了单一新抗原构建体）以及EcNc^{Δlon/ΔompT/LLO+}（携带了三种新抗原构建体的组合，是一种提供19种独特新抗原（nAg19）的微生物抗肿瘤疫苗）。实验结果显示，与对照组相比，工程化的新抗原疫苗刺激了能够消除远处肿瘤的全身性抗肿瘤免疫，经EcNc^{Δlon/ΔompT/LLO+} nAg¹⁹治疗的小鼠肿瘤生长得到了显著控制，生存期延长，且在某些情况下实现了肿瘤的完全消退。与此同时，研究人员还发现，与使用合成长肽（SLP）疫苗的标准抗癌疫苗策略相比，静脉注射EcNc^{Δlon/ΔompT/LLO+} nAg¹⁹疫苗的疗效更显著，增加SLP疫苗中新抗原和佐剂的剂量也不能提高其疗效，表明工程化细菌疫苗的抗癌效果优于传统的SLP疫苗。此外，该治疗策略在治疗转移性肿瘤方面也显示出了良好的效果，有效抑制了肿瘤的转移和生长，提高了小鼠的生存率。值得一提的是，这种治疗方式耐受性良好，与野生型EcN相比，小鼠体重变化显著减少，与PBS处理的小鼠在观察期间体重无显著差异。这些结果表明，工程化细菌疫苗EcNc^{Δlon/ΔompT/LLO+} nAg¹⁹在治疗结直肠癌方面具有显著的疗效和良好的耐受性。

进一步地，通过静脉注射EcNc^{Δlon/ΔompT/LLO+} nAg^19-His（含有C端6×His标签的新抗原构建体），研究人员发现可以在肿瘤和肿瘤引流淋巴结（TDLN）中检测到编码的新抗原，证实了编码新抗原的成功递送。深入的实验结果显示，经工程化微生物疫苗治疗的小鼠的肿瘤和TDLN中出现了更高频率的cDC1和cDC2树突细胞，以及更高比例的活化的CD4+和CD8+ T细胞。此外，与PBS或对照细菌处理的小鼠相比，疫苗处理的小鼠显示出增强的IFNγ和TNF产生，以及在肿瘤浸润性淋巴细胞（TIL）中增强的新抗原特异性免疫反应，而免疫抑制性细胞，如PD-L1+的髓系细胞和调节性T细胞的数量减少。这些结果证实，通过静脉注射传递的微生物新抗原治疗剂能够在体内淋巴组织中持续产生并提供新抗原，招募并激活树突细胞，同时刺激新抗原特异性以及广泛的适应性免疫反应，减少肿瘤微环境（TME）内的免疫抑制，从而塑造出一个更有效的环境，以促进抗肿瘤免疫反应的产生（图2）。

图2 微生物肿瘤新抗原疫苗的免疫机制

新抗原通常对每个肿瘤都是独特的，因此疫苗平台必须能够灵活地整合并递送基于特定肿瘤中独特突变的多样化新抗原集合。为了评估本研究的工程化微生物平台在这方面的适用性，研究人员对第二种更具侵袭性的肿瘤细胞类型（B16F10黑色素瘤）进行了配对外显子组和转录组测序，这些细胞在C57BL/6小鼠中进行了原位移植培养，并设计了针对该肿瘤的特异性治疗方案。研究发现，通过肿瘤内注射或静脉注射EcNc^{Δlon/ΔompT/LLO+}nAg⁴²（包含42个独特的B16F10新抗原），能显著抑制肿瘤生长，并提高小鼠的存活率。此外，该治疗策略还能诱导肿瘤特异性的T细胞反应，减少免疫抑制细胞群体，并且在治疗后的小鼠中观察到了对肿瘤细胞的特异性杀伤能力。进一步地通过静脉注射EcNc^{Δlon/ΔompT/LLO+}nAg⁴²疫苗对已形成全身黑色素瘤转移的小鼠进行治疗发现，与对照组相比，疫苗治疗小鼠的肿瘤转移生长得到了显著抑制，生存期明显延长，且耐受性良好。同时，表征该肿瘤模型中与抗肿瘤疗效相关的免疫学变化发现，通过静脉注射的微生物肿瘤新抗原疫苗能够在黑色素瘤的TME中介导免疫重组，招募APC并激活NK细胞、CD4+和CD8+ T细胞，同时减少免疫抑制细胞群。由此证实，该微生物肿瘤新抗原疫苗系统能够在体内激发有效的抗肿瘤免疫反应，对抗已经形成的全身转移性黑色素瘤。

综上所述，本研究通过微生物工程，将细菌的肿瘤趋向性和免疫刺激性与针对肿瘤新抗原的协调适应性免疫反应的精确指令结合起来，实现了一个能够调节并根除晚期实体肿瘤的平台。这些经过精心设计的微生物，携带着肿瘤的“死亡密码”，在体内寻找并攻击那些癌变的细胞，为患者带来了新的希望。这不仅是一场科技的胜利，更是对生命奥秘的一次深刻解读。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08033-4

制版人：十一

参考文献

1. Canale, F. P. et al. Metabolic modulation of tumours with engineered bacteria for immunotherapy. Nature 598, 662–666 (2021).

2. Schumacher, T. N. & Schreiber, R. D. Neoantigens in cancer immunotherapy. Science 348, 69–74 (2015).

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