基质胶原含量调控三阴性乳腺癌球体模型中沙门氏菌的穿透效率及抗肿瘤效果

本研究针对细菌癌症疗法(BBCT)在实体瘤中因有限定植导致临床疗效不足的问题，通过构建不同胶原含量的三阴性乳腺癌球体模型，揭示了高胶原基质通过降低细菌扩散性(4.5倍)和抗肿瘤效果(61%)限制沙门氏菌VNP20009的穿透。数学建模证实胶原使细菌扩散系数降低10倍，单细胞成像显示胶原形成物理屏障阻碍运动性细菌穿透。该发现为优化BBCT菌株设计以克服肿瘤基质屏障提供了新思路。

　　

在癌症治疗领域，细菌癌症疗法(BBCT)因其靶向肿瘤微环境的独特优势备受关注。然而临床数据显示，这种疗法在实体瘤中尚未显现生存获益，其核心瓶颈在于细菌难以穿透致密的肿瘤基质。尤其在三阴性乳腺癌(TNBC)这类富含胶原的肿瘤中，细胞外基质(ECM)形成的物理屏障严重制约了治疗剂的渗透。这一现象引发了研究人员的思考：胶原含量是否正是阻碍BBCT疗效的关键因素？

美国弗吉尼亚理工大学联合团队在《npj Breast Cancer》发表的研究，通过对比高低胶原含量的4T1三阴性乳腺癌球体模型，系统评估了沙门氏菌VNP20009的穿透动力学。研究采用同型(低胶原)和异型(高胶原含癌相关成纤维细胞mCAFs)球体，结合多光子显微镜、定量指标(PI/CI/DI)和微分方程建模，首次揭示了胶原含量与BBCT疗效的定量关系。关键技术包括：1)建立生理相关性的3D肿瘤模型；2)细菌分布的光学定量分析；3)基于Monod动力学的数学模型；4)TUNEL凋亡检测空间关联分析。

高/低胶原肿瘤模型的构建验证
通过免疫荧光证实异型球体胶原面积占比达同型的2.3倍(p<0.0001)，成功模拟了体内肿瘤的基质特征。

显示转移灶胶原纤维(白色)明显厚于正常肺组织，球体模型中胶原纤维(红色箭头)环绕肿瘤细胞的现象与体内一致。

细菌穿透的时空动力学
定量分析显示，12小时内细菌即可穿透同型球体核心，而异型球体细菌仅局限在外周30%区域(Fig.2f)。36小时时，同型球体分布指数(DI)达异型的4.5倍，穿透指数(PI)差异更达2.9倍，表明胶原主要阻碍细菌运动而非生长。

直观展示细菌(红色)在同型球体中的深度渗透。

数学模型揭示机制
拟合数据显示异型球体细菌扩散系数(1.25±0.13 μm²/s)显著低于同型(11.67±2.15 μm²/s)(Fig.3b)，而倍增时间无统计学差异，证实胶原通过降低细菌运动性(而非抑制增殖)限制分布。

空间分辨的疗效关联
TUNEL检测发现同型球体36小时凋亡率提升40%且遍及全球体，而异型仅外周区域凋亡增加21%(Fig.4d-e)。

显示细菌(红)在胶原密集区(白)前沿聚集，形成"屏障效应"，导致局部凋亡信号(绿)增强。

这项研究首次定量解析了胶原基质对BBCT的双重限制：使细菌扩散系数降低10倍，抗肿瘤效果下降61%。其重要意义在于：1)建立了评估细菌穿透性的标准化指标(PI/CI/DI)；2)证实基质改造应成为BBCT增效的新方向；3)为设计能降解ECM或增强运动性的工程菌株提供理论依据。该成果将推动BBCT从实验室走向临床转化，特别是针对三阴性乳腺癌等富含基质的难治性肿瘤。未来研究可探索胶原酶修饰菌株或磁驱动等物理增效策略，以突破肿瘤基质的"铜墙铁壁"。