💡这项突破是什么?
新闻网讯 中性粒细胞是天然免疫系统中的“第一响应者”，能够快速募集至病变部位，并通过脱颗粒、活性氧生成和蛋白酶释放等方式清除异常细胞。其“病灶募集—效应物释放—靶细胞杀伤”的连续过程，为构建多阶段抗肿瘤治疗系统提供了重要启发。然而，肿瘤相关中性粒细胞具有显著的表型可塑性，既可能参与肿瘤杀伤，也可能在复杂肿瘤微环境中转而促进免疫抑制、肿瘤进展和转移，因而难以直接作为稳定可控的治疗工具。
工程菌具有肿瘤优先定植和易于遗传编程等特点，为模拟中性粒细胞的多阶段效应过程提供了理想的活体底盘。但如何在同一系统中有序整合肿瘤定植、外源触发释放和治疗蛋白选择性激活，仍是一项重要挑战。
针对这一问题，华中科技大学吴钰周教授团队构建了一种受中性粒细胞启发的可编程工程菌平台（NPB），将工程菌的肿瘤定植、聚焦超声触发裂解、肿瘤相关明胶酶介导的颗粒酶B前体激活以及GSDME依赖性焦亡依次串联，实现了由外源物理信号与肿瘤内源性生化信号共同调控的多阶段治疗过程。相关成果“Neutrophil-Inspired Programmable Bacteria for Pyroptosis-Driven Tumor Eradication”发表于Journal of the American Chemical Society。
图为工作艺术概念图，聚焦超声触发NPB裂解及效应蛋白释放，进而诱导肿瘤细胞焦亡。
图1. 仿中性粒细胞可编程工程菌NPB的构建及其级联治疗机制
研究团队选用非致病性大肠杆菌MG1655（DE3）作为底盘，并在菌体内过表达透明颤菌血红蛋白（Vitreoscilla hemoglobin，VHb）。VHb不仅具有氧结合能力，其血红素中心还可在超声作用下介导活性氧生成。电子顺磁共振结果显示，体系中可检测到明显的单线态氧（¹O₂）信号，而未检测到羟基自由基信号，支持VHb以Ⅱ型声动力过程为主。在工程菌水平，超声处理显著增强了VHb工程菌的胞内活性氧信号，并伴随细胞膜通透性增加和菌体超微结构破坏。由此，VHb能够将外源超声转化为胞内氧化应激和菌体破裂，为NPB所携带治疗蛋白的时空可控释放提供基础。
图2. VHb声动力模块的构建及聚焦超声触发的工程菌损伤
为了进一步限制颗粒酶B的非靶向活性，团队设计了颗粒酶B的“人工酶原”m-GzmB-T。该分子在N端引入可被肿瘤相关明胶酶识别的PLGIIG序列，并通过空间位阻暂时屏蔽GzmB活性；当其进入富含MMP-2/MMP-9等明胶酶的肿瘤微环境后，PLGIIG连接序列被切割，GzmB的天然活性N端得以无痕恢复。C端融合的TAT肽则促进激活后的蛋白进入肿瘤细胞。
在缺少MMP-2时，m-GzmB-T仅表现出极低的底物水解活性；经蛋白酶切割后，其酶活显著恢复。激活后的GzmB进入肿瘤细胞，促进Caspase-3活化及GSDME裂解，生成具有膜打孔能力的GSDME-N片段，引发细胞肿胀、膜泡形成等典型焦亡表型。因此，NPB构建了“聚焦超声控制释放—肿瘤蛋白酶控制激活”的双层时空调控机制。
图3. 肿瘤相关明胶酶响应的m-GzmB-T前体及GSDME依赖性焦亡
在完成VHb超声响应、m-GzmB-T选择性激活及焦亡诱导等体外验证后，研究团队进一步在CT26结直肠癌模型中评价NPB联合聚焦超声的体内治疗效果。与各对照组相比，NPB联合聚焦超声显著抑制了肿瘤生长，个体及平均肿瘤生长曲线均显示出明显的治疗优势。肿瘤组织分析显示，治疗后TUNEL阳性信号明显增强，GSDME-N片段显著增加，证实NPB联合聚焦超声能够在肿瘤组织中有效诱导GSDME依赖性焦亡。与此同时，肿瘤内CD8⁺ T细胞浸润增加，而FoxP3⁺调节性T细胞减少，表明局部焦亡还伴随着有利于抗肿瘤免疫的细胞组成变化。上述结果证明，该平台能够将“超声触发释放—肿瘤蛋白酶响应激活”的顺序调控过程转化为有效的原发肿瘤治疗。
图4. NPB联合聚焦超声在CT26肿瘤模型中的治疗效果及组织学分析
在证实NPB联合聚焦超声能够有效控制CT26原发肿瘤后，研究团队进一步采用实验性肺转移挑战模型，考察局部治疗能否产生系统性抗肿瘤保护。完成原发肿瘤治疗后，小鼠于第8天经静脉再次接种CT26细胞。结果显示，NPB联合聚焦超声在持续抑制原发肿瘤生长的同时，显著减少了肺部转移结节，并减轻肺组织中的转移性病理损伤。这些结果表明，局部可控焦亡产生的治疗效应能够进一步转化为针对后续肿瘤挑战的系统性保护。
图5. NPB联合聚焦超声抑制CT26原发肿瘤及实验性肺转移挑战
为了进一步评价该治疗策略的持久性，研究团队在免疫原性较低的EMT6乳腺癌模型中开展了长期观察。NPB联合聚焦超声持续抑制肿瘤生长，其中4/7只小鼠实现肿瘤完全消退，并在长达102天的观察期内未见复发，整体生存期也得到显著延长。治疗后第30天，外周血中CD8⁺效应记忆T细胞（CD44⁺CD62L⁻）比例显著升高，组间统计结果显示其明显高于空白组和NPB组。上述结果提示，局部可控焦亡不仅能够清除原发肿瘤，还可促进持久的抗肿瘤免疫记忆。
图6. NPB联合聚焦超声在EMT6肿瘤模型中的长期治疗效果及CD8⁺效应记忆T细胞响应
该研究的核心创新在于，首先将VHb由传统的氧结合蛋白拓展为一种基因编码的声学执行器，无需额外装载外源声敏剂，即可把聚焦超声转化为活性氧生成、菌体裂解和治疗蛋白按需释放；其次，通过设计具有PLGIIG无痕切割序列的m-GzmB-T“人工酶原”，实现了颗粒酶B活性的暂时屏蔽及其在肿瘤蛋白酶环境中的选择性恢复；进一步将上述物理触发与生化激活机制整合于同一活体底盘中，形成“肿瘤定植—超声触发释放—蛋白酶响应激活—GSDME依赖性焦亡”的顺序治疗过程。该平台在多种肿瘤模型中实现了显著的肿瘤控制、实验性肺转移挑战中的保护效应和长期免疫保护，为工程菌治疗的多阶段时空编程及精准肿瘤治疗提供了新的设计范式。
我校为该研究工作的第一通讯单位，吴钰周教授为该论文的通讯作者，我院博士生张军帅为该论文的第一作者。该工作获得国家重点研发计划、青年教师科研创新能力支持项目、国家自然科学基金等项目的支持。
编辑：范千
来稿审核：尹志男
审核：万霞、汪泉
审定发布：詹健
