研究背景
细菌疗法可精准靶向肿瘤缺氧区域，与现有治疗手段形成互补，在癌症治疗领域展现出巨大潜力，但目前的方案常常面临安全性问题和复杂的工程挑战，开发一套完全依托细菌天然生物合成能力的安全、高效给药平台，仍是领域内的核心挑战。
现有细菌载体大多通过激活免疫系统间接抑制肿瘤，直接杀伤肿瘤细胞的能力十分有限；为搭载药物或治疗因子进行的理化改造不仅工艺繁琐、效率偏低，还存在药物释放效果不佳、难以规模化生产等问题。即便通过基因工程强化细菌的免疫激活功能，也未能突破直接杀瘤能力不足的瓶颈。
在天然抗癌产物中，粘质沙雷氏菌合成的灵菌红素是兼具抗菌、抗氧化、抗肿瘤活性的三吡咯类色素，可通过抑制 Wnt/β-catenin 通路诱导肿瘤细胞凋亡。但灵菌红素自身生物利用度低、化学稳定性差、体内半衰期短，极大限制了其临床应用，亟需新的递送策略释放其治疗价值。
发表信息
2026 年 4 月 7 日，南京大学赵劲教授、魏炜教授、王秀秀研究员团队在国际知名期刊Nature Communications（IF 15.7）在线发表题为A live biohybrid bacterial therapy based on engineered Serratia marcescens的研究成果。该研究首次将减毒粘质沙雷氏菌开发为通用型癌症治疗底盘，利用其天然合成的光敏灵菌红素，构建了集精准靶向、光热可控清除、强效直接杀瘤和全身免疫激活于一体的活体生物混合治疗系统；另外，研究借助 DIA 蛋白质组学技术系统解析了该疗法的分子作用机制，明确了线粒体自噬驱动的细胞死亡通路，并发现 Mapkapk5 是介导肿瘤细胞死亡的关键调控因子，为细菌癌症疗法的临床转化提供了全新范式与理论支撑。
【欧易生物为本研究提供了DIA蛋白组学技术服务】
研究思路
研究结果
1. 发现灵菌红素具有近红外荧光和光热双重特性
研究团队通过迭代紫外诱变和红色菌落可视化筛选，从野生型粘质沙雷氏菌S.marcescens NRRLB‑1481中获得高产灵菌红素的工程菌株S. marcescens JC11 （以下简称为SMM），该菌株在5L生物反应器中仅需48小时即可合成8.3±0.5g/L灵菌红素，达到天然菌株的产量上限，且生产工艺简单、成本低廉，具备规模化生产潜力。一个关键的意外发现是灵菌红素在808nm近红外光激发下可发射940-950nm的近红外荧光，且具有优异的光热转换能力，5mM纯灵菌红素溶液在4.5W/cm²激光照射下温度可快速升至60℃以上，1×10¹¹CFU/mL的SMM菌悬液在相同条件下3分钟内即可达到60℃，而60℃处理3分钟可实现超过8-log的细菌灭活，为治疗后精准清除细菌提供了可控手段。为进一步提升安全性，团队敲除了SMM中负责内毒素脂质A合成的msbB基因，获得减毒株SM，该菌株脂多糖水平降低39.8%，静脉注射后小鼠存活率达100%，完全消除了野生型菌株的致死性。
图1.灵菌红素的近红外光热特性与菌株减毒验证
2. 构建肿瘤靶向的生物混合细菌系统
团队采用羧甲基纤维素（CMC）对减毒株SM进行微囊化包被，包封效率高达98.2%，同时保留了90%以上的细菌活性，CMC包被不仅能屏蔽细菌表面抗原、降低全身免疫原性，还能提供丰富的羧基位点便于后续靶向修饰。在此基础上，研究人员通过EDC/NHS偶联反应，将靶向肿瘤高表达PD-L1受体的环肽KP101修饰到SM@CMC表面，构建出最终的生物混合系统SM@CMC-KP101，定量分析显示每10⁸CFU细菌表面可锚定约6nmol KP101（约3.6×10⁷个肽分子/细菌），体外细胞实验证实KP101修饰使细菌对肿瘤细胞的内化效率提升了107%，显著增强了肿瘤靶向能力。
图2.肿瘤靶向生物混合细菌系统的构建与表征
3. 体外兼具强效直接杀瘤与免疫调节能力
CCK-8细胞毒性实验表明，SM@CMC-KP101对B16F10黑色素瘤和CT26结直肠癌细胞均具有强效杀伤作用，IC₅₀均低于4×10⁷CFU/mL（相当于500nmol灵菌红素），呈现明显的浓度依赖性。在免疫调节方面，SM@CMC-KP101展现出多维度的免疫激活能力，不仅能显著促进树突状细胞成熟，使CD11c⁺CD80⁺CD86⁺成熟DC比例提升1.08倍，还能强力重编程肿瘤相关巨噬细胞，使Raw264.7细胞中M1型标志物TNF-α上调62.94倍、iNOS上调107.3倍，而M2型标志物无明显变化，在原代骨髓来源巨噬细胞中也观察到一致的M1极化趋势。
图3.体外肿瘤杀伤与免疫调节活性验证
4. CT26结直肠癌模型中实现近完全肿瘤消退
通过剂量爬坡实验，研究团队确定了SM@CMC-KP101的最大耐受剂量为瘤内注射1×10¹⁰CFU/只、静脉注射1×10⁸CFU/只，在CT26荷瘤小鼠中，瘤内注射联合808nm激光照射3分钟，可使肿瘤内温度精准升至60℃左右，而正常组织温度不超过45℃。该治疗方案效果显著，11天内肿瘤体积缩小≥97%，实现近完全消退；细菌清除高效可控，治疗后1天肿瘤内细菌载量下降5.5个数量级，14天实现全身完全清除；同时全身抗肿瘤免疫被强烈激活，淋巴结中成熟DC比例从9.9%升至24.6%，CD8⁺T细胞比例从21.0%升至26.3%，骨髓中M1型巨噬细胞比例从12.1%升至20.1%，脾脏中效应记忆CD8⁺T细胞比例提升179.6%，调节性T细胞（Treg）比例从14.2%降至8.6%。肿瘤再攻击实验显示治愈小鼠中仅约25%出现肿瘤复发，证实治疗诱导了强效且持久的免疫记忆，全面的安全性评估表明血清炎症指标、血常规及主要器官组织学检查均未见明显异常，治疗后皮肤愈合良好无瘢痕。
图4. CT26 结直肠癌模型的体内治疗效果
5. B16F10黑色素瘤模型中验证系统给药有效性
针对黑色素瘤高侵袭性、免疫逃逸强且黑色皮毛会干扰激光治疗的特点，研究团队采用纯静脉给药方式（无激光照射），在第0、3、6、10天给药1×10⁸CFU/只。实验结果令人振奋，SM@CMC-KP101组小鼠14天存活率达100%，而临床常用的ECN和VNP20009组在第二次给药后全部死亡；治疗组平均肿瘤体积仅为138.9mm³，显著低于SM组（511.92mm³）和SM@CMC组（555.37mm³）；靶向性优异，静脉注射1天后，SM@CMC-KP101在肿瘤内的载量达8.98×10⁷CFU/g，显著高于ECN和VNP20009，且在正常器官中残留更低。药物相互作用系数（CDI）分析显示KP101与SM@CMC具有强协同效应（CDI=0.2528<0.7），治疗14天后，脾脏中CD8⁺IFN-γ⁺细胞比例提升167%，效应记忆CD8⁺T细胞比例提升126.4%，同时伴随中央记忆T细胞的显著扩增。
图5.B16F10 黑色素瘤模型静脉给药疗效
6. 揭示线粒体自噬驱动的新型细胞死亡机制
通过DIA蛋白质组学分析，研究团队发现SM@CMC-KP101处理后肿瘤细胞中有152种蛋白上调、89种蛋白下调，显著富集自噬、线粒体自噬和坏死性凋亡通路。进一步的机制验证表明，SM@CMC-KP101诱导活性氧（ROS）大量产生，导致线粒体功能障碍，同时激活线粒体自噬但干扰自噬溶酶体的融合与降解，导致自噬体累积；此外还上调坏死性凋亡标志物p-MLKL，坏死性凋亡抑制剂Nec-1可使细胞存活率从28%升至94%，凋亡抑制剂Z-VAD也可显著逆转细胞死亡，但caspase-3表达下调，提示为caspase-3非依赖性凋亡。特别值得关注的是，研究发现关键调控因子Mapkapk5（MK5）显著下调8.98倍，敲低Mapkapk5可完全模拟SM@CMC-KP101的细胞死亡表型，且同样不依赖caspase-3，最终明确了SM@CMC-KP101的杀瘤机制：通过"线粒体功能障碍→ROS产生→线粒体自噬累积→Mapkapk5下调"的通路，同时诱导坏死性凋亡和caspase-3非依赖性凋亡。
图6. 基于 DIA 蛋白组的分子机制解析
研究结论与意义
本研究首次将粘质沙雷氏菌开发为癌症治疗的通用型细菌底盘，突破了传统细菌疗法依赖外源药物修饰的核心瓶颈。该平台创新性地整合了近红外成像、靶向光热消融、可控细菌清除和全身免疫激活四大功能，在结直肠癌和黑色素瘤模型中均展现出优异的治疗效果和安全性。研究依托 DIA 蛋白质组学技术从全局层面解析作用机制，共鉴定到 241 个差异表达蛋白，显著富集线粒体自噬、坏死性凋亡、氧化应激等核心通路，同时发现应激调控因子 Mapkapk5 显著下调，是介导肿瘤细胞死亡的关键分子靶点，由此揭示了灵菌红素介导的线粒体自噬驱动的新型细胞死亡机制，为理解细菌疗法的直接杀瘤作用提供了全新视角。该生物混合系统具有产量高、成本低、易工程化、安全性可控等显著优势，不仅为下一代精准癌症免疫疗法的临床转化奠定了坚实基础，也为其他微生物天然产物的递送提供了可借鉴的通用策略。