目前癌症治疗包括放疗和化疗有很多缺陷,例如,高毒性,低组织渗透性,低特异性,靶位点不强等缺点。很多年以前,人们就已经开始用细菌进行防治癌症的研究,例如WiliamB.Coley发现,癌症病人手术后如果感染细菌疾病,可以提高治愈率;目前对膀胱癌的治疗,手术摘除后,经常会注射一种预防肺结核的疫苗BCG以提高治愈率。尽管细菌提高治愈率的机制不是很清楚,但以上例子很好的表明细菌可以用来治疗癌症,而且有许多优点。
多种细菌可以用来治疗癌症,例如,Bifidobacterium,Escherichiacoli,Listeria,Clostridium,Proteus等,目前研究最多的用来治疗癌症的细菌是鼠伤寒沙门氏菌Salmonellaentericaserovar Typhimurium,它是兼性厌氧细菌,基因组序列已经公布,而且遗传操作方便。另外作为癌症治疗的优点包括
1)鼠伤寒沙门氏菌本身不仅可以用来治疗癌症,提高治愈率,由于鼠伤寒沙门氏菌是一个完整的代谢生物,可以在其体内持续合成抗癌蛋白,所以可以作为载体来递送一些抗癌药物,细胞因子,或小的RNA来干扰癌细胞的生长;
2)经过口服,静脉注射或直接注射到癌症部位可以在癌症部位增殖,引起在癌症部位的系统性侵染,低剂量的细菌注射就可以达到有效的治疗效果。该优点克服了药物浓度在癌症部位逐步递减的缺点;
3)沙门氏菌可以在癌症部位积累到很高的浓度,和癌细胞竞争营养,而在正常的细胞内浓度很底,相差近1000倍,该优点可以避免细菌引起全身的系统性侵染,导致败血症,另外沙门氏菌可以侵染大多数的癌症,例如肺癌,乳腺癌,黑素瘤癌,结肠癌等一些产生瘤状的癌症;
4)该细菌是一种天然的细胞毒性诱导剂。伤寒氏菌自身可以产生毒性因子,导致细胞毒性,吸引免疫细胞到癌症细胞周围,另外,沙门氏菌感染可以诱导Cx43蛋白的表达,在癌细胞间形成功能性Gap-junctions,促进癌细胞抗原肽递送到树突状细胞,最终可以俘获CD8T-细胞来清除掉癌细胞;
5)另外最重要的一点是经过服用抗生素,沙门氏菌能很容易的从体内清除掉。如果沙门氏菌表达某些荧光蛋白,那么可以在体外检测肿瘤的变化。
遗传改造的沙门氏菌VNP20009含有两个敲除突变DpurI和DmsbB。purI敲除后,使沙门氏菌丧失对腺嘌呤的合成,而在肿瘤细胞内有大量的腺嘌呤存在,有利于细菌在肿瘤细胞内增殖;msbB突变改变了类脂A的结构,减弱了类脂A对内源免疫反应的激发,降低产生肿瘤坏死因子的产生(TNF-α),因而安全,不至于引起败血症等严重细菌感染的症状。
在小鼠试验中,该遗传改造的细菌表现了很好细菌特异性,即可以在癌细胞内大量增殖,而在正常细胞内很少,在两种细胞内细菌定植的能力可以相差1000倍;而且也表现出很好的抗癌效果,肿瘤变小。
然而在人体的一期临床试验中,并没有取的预期的效果,在28个癌症病人中,尽管所有病人都对VNP20009耐受,但VNP20009仅能够在3个病人癌症部位发现,其中一个病人肿瘤消失(VNP20009注射3 个月检测),一个癌症病人的肿瘤变大。临床试验效果不好的原因有二,其一是VNP20009毒性太弱,不能很好的适应人体的肿瘤环境;其二是可能该突变株对人体的免疫系统比较敏感,不能在人体内存活足够长的时间去激发针对肿瘤细胞的免疫反应和产生足够多的刺激因子。
如何改造鼠伤寒沙门氏菌是应用该细菌治疗癌症的关键。首先要考虑的是安全性,任何针对人类的药物,必须是安全第一,因此改造这个性状是首先必须考虑的。目前在研究中应用的突变包括与氨基酸合成有关的突变包括aroA,aroD,与全局调控有关的突变phoP/phoQ,和嘌呤合成有关purI,所有这些突变都引起沙门氏菌的毒性减弱,影响起初的侵染和定植。著名的遗传学家,美国科学院院士RoyCurtissIII开发了一种技术叫延迟减毒系统应用到沙门氏菌疫苗递送致病菌抗原来防治传染性疾病。
该系统的主要原理是用可调控启动子来替换关键的致病基因的启动子,在体外诱导的条件下,该致病因子可以表达,可以如野生菌一样感染宿主,但是一旦到达体内,致病因子不再表达,引起毒性弱化。
这一系统也可以应用到抗癌沙门氏菌的构建中。另外要考虑沙门氏菌如何富集到肿瘤细胞内,两个问题需要考虑,一是沙门氏菌的主动游动,由沙门氏菌的鞭毛控制,但是鞭毛在宿主体内表达很弱甚至不表达,为了克服这一缺点,可以用基因改造的方法促使鞭毛提高游动;另外是沙门氏菌的趋向性,可以在沙门氏菌的表面表达一些受体,例如TAR受体可以感应有肿瘤细胞产生的天冬氨酸;TRG受体感知有肿瘤细胞产生的核糖,加速向肿瘤细胞富集。另外要考虑是如何使沙门氏菌表达外源蛋白或转录小的RNA。
通常表达外源蛋白需要用质粒来作为载体,目前应用最多的是含有抗药性基因的质粒,但是抗性质粒不能应用到临床上,因此可以考虑用营养缺陷型质粒。如果表达的蛋白对细菌本身有毒害,可以考虑用Curtiss开发的延迟表达系统或某些体内诱导的启动子来克服这一缺点。
另外要考虑沙门氏菌的内毒素问题,内毒素可以引起败血症,炎症并发症等,严重时危机生命。MsbB突变使内毒素结构减少了一条链,降低其诱发的炎症反应,但是人体临床试验证明含有MsbB的细菌不能很好的定植在癌症细胞内,也不能抑制癌细胞的增殖,可能也与msbB突变使的沙门氏菌不能诱导产生很强的肿瘤坏死因子(TNF-α)有关。
如何保证沙门氏菌的安全又能很好的诱发炎症反应,需要系统地研究哪种内毒素结构更适合应用在抗癌沙门氏菌的改造中。
总之,尽管鼠伤寒沙门氏菌作为载体递送外源抗原来防治疾病已经研究了很多年,但是目前仍没有一种有效疫苗应用到临床上。鼠伤寒沙门氏菌作为癌症治疗的方法也研究了多年,但临床试验也没有取得预期的效果。
尽管困难很多,但应用鼠伤寒沙门氏菌进行癌症治疗有诸多优点,仍然值得深入系统的研究。鼠伤寒沙门氏菌Salmonella Typhimurium可以引起老鼠的系统性侵染,但仅能局部感染人类,不能系统性侵染。在以后的研究可以考虑对SalmonellaTyphiorParatyphi进行遗传改造,可能更适合对人类癌症的治疗。
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