免疫细胞所需的关键的营养物质在肿瘤细胞中非常匮乏。在小鼠模型中，实现了基因工程抗肿瘤细菌回收肿瘤代谢废物，转化为代谢原料，促进抗肿瘤免疫反应。
发布期刊：Nature
发布时间：2021.10.6
影响因子：49.962
作者介绍：Laurence C. Chen & Yvonne Y. Chen
作者单位：美国加利福尼亚大学化学与生物分子工程学院
利用一个人的免疫系统来靶向肿瘤（一种被称为癌症免疫治疗的治疗方法）已经成为一种很有前途的癌症治疗选择。T细胞是一种免疫细胞，它具有监测功能，并具有杀死被认为会构成威胁的外来细胞或受感染细胞的能力。这些特性巩固了T细胞成为癌症免疫治疗的中心支柱。一个有效的抗肿瘤T细胞反应的产生关键取决于营养物质的供应，如L-精氨酸。然而在肿瘤微环境中，这是一个挑战，因为此处往往营养匮乏。Canale等人在《自然》杂志上写道，用代谢工程细菌治疗小鼠会在肿瘤微环境中产生一种局部的、连续的L-精氨酸工厂，当与一种称为检查点封锁的免疫治疗形式结合时，会产生强烈的、持久的抗肿瘤T细胞反应。
先前的研究表明，在小鼠模型中补充L-精氨酸可以延长T细胞的存活，增强记忆细胞的生成，并提高一种对称为黑色素瘤的皮肤癌的杀伤效果。然而，补充L-精氨酸的临床治疗并不简单。口服需要患者每天消耗大量的氨基酸，而直接注射到肿瘤中只能针对靠近皮肤表面的肿瘤，并且可能由于氨基酸泄漏而无效。Canale和同事假设，在肿瘤微环境中提供局部、持续供应的L-精氨酸的策略将有助于T细胞免疫治疗(图 1)。
图1 一种增强抗肿瘤免疫反应的方法。被称为T细胞的免疫细胞面临着各种挑战，阻碍了它们杀死肿瘤细胞的能力。肿瘤微环境缺乏免疫细胞所需的营养物质，并且存在来自肿瘤细胞的高水平代谢废物，如氨。此外，由于免疫细胞上的PD-1蛋白与肿瘤细胞上的PD-L1蛋白相互作用，可导致T细胞活性被抑制。Canale等人表明，代谢工程能够将氨转化为L-精氨酸的细菌，克服了小鼠肿瘤微环境中L-精氨酸的缺乏，从而促进T细胞功能和浸润肿瘤。作者报告，当这种治疗与一种使用抗体阻断PD-L1蛋白活性的治疗结合时，抗肿瘤反应会进一步加强。
氨是一种在肿瘤微环境中积累的新陈代谢废物，可以由酶转化为L-精氨酸。作者确定了L-精氨酸生物合成途径中的两个关键步骤。这需要抑制L-精氨酸生物合成的蛋白质argR和酶argA。L-精氨酸高水平的细胞内通过argA的负反馈抑制产生氨基酸。Canale和他的同事们在生产基因编辑微生物时试图利用这一信息。细菌可以进入肿瘤微环境，在这些部位定居并在那里蓬勃繁殖。无害的大肠杆菌Nissle1917(ECN)，在治疗、疫苗和诊断方面有着悠久的医学应用历史。作者通过基因操纵了这些微生物基因，删除编码argR的基因，并引入一个不被负反馈抑制的argA突变版本。因此产生了一株ECN菌株，作者称其为L-Arg细菌，它在体外和肿瘤微环境中都能将氨转化为L-精氨酸。
据作者报告，在携带肿瘤的小鼠体内注射L-Arg细菌会导致攻击肿瘤的T细胞 (一种被称为传统T细胞的类型)的增加和免疫抑制T细胞(一种被称为调节性T细胞的类型)的减少。传统T细胞对肿瘤浸润的促进补充了检查点阻断免疫治疗的治疗效果。后一种方法使用了靶向PD-L1蛋白的抗体，该蛋白在肿瘤细胞和其他免疫抑制细胞上发现。PD-L1抗体可以阻止PD-L1蛋白对肿瘤靶向T细胞活性的抑制。在结肠癌小鼠模型中，与单独接受两种治疗的动物相比，L-Arg细菌与PD-L1靶向抗体联合治疗具有优越的抗肿瘤效果。此外，这种联合治疗导致了记忆T细胞的形成。当从治疗过的动物身上提取的T细胞转移到以前未治疗过的肿瘤动物身上时，肿瘤生长受到抑制。重要的是，当细菌被直接注入肿瘤或血液时，可以观察到L-Arg细菌的影响。L-Arg细菌与PD-L1靶向抗体的治疗效果依赖于T细胞。当他们在另一种黑色素瘤小鼠模型(B16-OVA)中进行相同类型的实验时，也观察到了类似的结果。在该模型中，动物接受专门针对与这类肿瘤相关的卵清蛋白的T细胞治疗。
Canale和同事的开创性工作为使用细菌诱导的肿瘤微环境调节提供了实质性的支持。进一步的研究来回答一些关键问题，可能有助于为临床实施铺平道路。
首先，尽管ECN等细菌的肿瘤定殖行为已经有充分的记录，但这一过程背后的确切机制尚不清楚。因此，关于它在人类中的有效性和安全性的问题依然未知。虽然用L-精氨酸细菌处理的小鼠没有明显的毒性迹象，但体重会短暂下降。治疗的效果在人类中是否会更微妙或放大仍有待探索。越来越多的临床试验正在评估细菌治疗，可能为用于治疗的细菌的解剖分布提供一个更清楚的画面，以及评估它们对寿命和由此产生的任何潜在毒性的影响。
第二，代谢类型的有效性对策略的导向。如氨转化为L-精氨酸，可能取决于特定的肿瘤类型。进一步研究肿瘤的内在特性及其微环境，使特定的癌症类型对这种治疗策略更敏感或具有耐药性，可能对选择有效的患者和治疗至关重要。
最后，与所有基于转基因细胞的治疗方法一样，必须考虑到修饰生物体的遗传稳定性。需要进行深入的分析，以确定是否需要其他特征，如使用“自杀”基因来控制工程细菌的破坏，以确保患者的短期和长期安全。
Canale与同事强调了一种利用工程微生物来解决肿瘤微环境代谢面临的挑战的新方法。通过将肿瘤来源的废物转化为抗肿瘤T细胞的代谢原料，L-精氨酸细菌提供了更强、更持久的抗肿瘤免疫反应。尽管在临床应用治疗之前应该得到更广泛的安全性探索，Canale和同事的工作为癌症免疫治疗迈出了非常关键的一步。
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