综述：工程化细菌及细菌源性纳米材料在癌症治疗中的应用：机制、设计与进展

《Bioactive Materials》：Engineered bacteria and bacteria-derived nanomaterials for cancer therapy: Mechanisms, designs and advances

本综述系统阐述了细菌介导癌症治疗的多模式作用机制（从直接肿瘤裂解到肿瘤微环境（TME）中的细菌趋向性与免疫调节），总结了通过生物工程（基因重编程、生物膜封装）与物理化学修饰（化学偶联、物理相互作用、生物矿化涂层）两大策略优化细菌疗法，并探讨了活菌（如鼠伤寒沙门氏菌、大肠杆菌）及其衍生物（外膜囊泡OMVs、膜涂层纳米颗粒）在精准肿瘤治疗中的前沿应用与转化挑战。

　　

2. 细菌介导的肿瘤治疗机制

细菌通过三种相互关联的机制策略对抗肿瘤：靶向肿瘤微环境（TME）、直接裂解肿瘤和免疫调节。TME的缺氧、酸性pH、免疫抑制和营养丰富等特征为细菌创造了有利生态位，使其能够选择性靶向肿瘤。例如，鼠伤寒沙门氏菌（S. typhimurium）、双歧杆菌（B. bifidum）和大肠杆菌（E. coli）等工程菌株在静脉注射后优先定植缺氧肿瘤区域，同时从正常组织中有效清除。细菌还可通过直接穿透肿瘤细胞（如单核细胞增多性李斯特菌L. monocytogenes）或分泌毒素（如溶细胞素A ClyA）诱导肿瘤细胞死亡。此外，细菌衍生的酶（如L-天冬酰胺酶）可通过消耗必需氨基酸破坏肿瘤代谢。细菌还通过调节免疫反应发挥抗癌作用，其成分如脂多糖（LPS）和鞭毛蛋白作为病原体相关分子模式（PAMPs）激活模式识别受体，触发NF-κB信号通路，促进促炎细胞因子（如TNF-α和IL-12）产生，并激活肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）和自然杀伤（NK）细胞。

3. 肿瘤靶向与治疗的细菌工程策略

细菌的天然形式存在毒性强、增殖失控和疗效有限等临床挑战，需通过工程化策略优化。常见方法包括基因编辑、化学偶联、物理吸附、生物膜封装和生物矿化涂层。基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）可用于减毒毒力因子、增强肿瘤定植能力及插入治疗性载荷（如免疫调节细胞因子或前药转换酶）。生物膜功能涂层可通过掩蔽免疫原性表面（如LPS）实现免疫逃逸。物理化学修饰方法包括共价偶联（如NHS酯化学）、代谢标记结合点击化学、生物素-亲和素级联组装等，以稳定附着治疗载荷。生物矿化则利用细菌酶促能力沉积无机矿物（如碳酸钙CaCO₃或金属有机框架ZIF-8），形成保护性外壳，实现刺激响应性药物释放。

4. 不同细菌在靶向肿瘤治疗中的效应

多种细菌物种展现内在肿瘤归巢特性，适用于药物递送。大肠杆菌作为兼性厌氧菌，通过缺氧响应机制选择性定植肿瘤，其遗传可塑性允许精确设计治疗载荷。鼠伤寒沙门氏菌表现出显著的天然肿瘤趋向性，肿瘤与正常组织比率高达10,000:1，并通过化疗趋向肿瘤特异性代谢物（如天冬氨酸和核糖）。单核细胞增多性李斯特菌以其细胞间传播能力成为有前途的肿瘤靶向载体，可感染抗原呈递细胞并刺激T细胞反应。严格厌氧的双歧杆菌天然倾向于定植缺氧肿瘤区域，其安全性在临床应用中已得到验证。光合细菌（PSB）则利用其光养特性，通过近红外（NIR）光响应实现时空控制治疗活性。其他如乳酸乳球菌（L. lactis）和希瓦氏菌（S. oneidensis）也被工程化为传递抗癌载荷的有效平台。

5. 细菌源性纳米结构：OMVs与膜基治疗剂

外膜囊泡（OMVs）是革兰氏阴性菌通过外膜出芽分泌的纳米级蛋白脂质体结构，封装母体来源成分（包括膜蛋白、LPS、磷脂和核酸），保持强大的PAMP介导的免疫刺激作用，且无复制能力。OMVs的天然膜结构和非活性特性使其适用于需要控制免疫激活而无感染风险的治疗应用。工程化OMVs可设计为靶向特定肿瘤抗原（如CD47或GPC3），并装载药物或免疫调节剂，以增强抗肿瘤免疫。细菌膜涂层纳米颗粒结合细菌膜的天然肿瘤靶向能力与合成纳米颗粒的功能，实现多模式治疗（如光热治疗、免疫治疗和微环境调制）。这些平台在克服生物屏障、提高药物生物利用度和降低全身毒性方面显示出潜力。

6. 总结与展望

细菌介导的癌症治疗代表肿瘤学的范式转变，结合微生物学、合成生物学和免疫疗法，开发具有独特能力的活体药物。工程菌株（如鼠伤寒沙门氏菌和艰难梭菌）通过利用缺氧生态位展示出显著的肿瘤靶向能力，同时刺激强大的抗肿瘤免疫反应。这些活体治疗剂相比传统治疗具有明显优势，包括深层组织渗透、与肿瘤微环境的动态相互作用以及持续原位药物生产的潜力。临床转化面临机制不明确、安全性问题、药代动力学复杂性和制造挑战等障碍。未来方向可能整合人工智能（AI）方法进行多组学特征分析，以优化细菌载体和治疗载荷，实现个性化医疗。尽管挑战存在，细菌工程和递送系统的持续进展表明，微生物介导的治疗可能很快在癌症治疗中占据独特地位。