补充精氨酸能抗癌？Nature：用细菌把「肿瘤克星」送到抗癌前线，免疫治疗效果提高 30%

丁香学术2021-10-12

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导语

肿瘤内 L-精氨酸的含量对于有效的抗肿瘤 T 细胞反应起到非常重要的作用。因此提高肿瘤内的精氨酸的水平有可能会辅助免疫治疗的抗肿瘤效果。

2021 年 10 月 6 日，一篇发表于 Nature，题为 Metabolic modulation of tumours with engineered bacteria for immunotherapy 的文章就致力于通过生物工程的方法增加肿瘤内精氨酸含量从而辅助免疫治疗。

图片来源：Nature

主要内容

这项研究主要关注 L-精氨酸与 PD-L1 阻断之间的协同作用。

首先，研究人员注意到，在有皮下 MC38 肿瘤（直肠癌模型）的小鼠中，每日口服 L-精氨酸可以辅助抗 PD-L1 疗法的治疗效果并提高小鼠的生存率。但是，为了达到目标的治疗效果，需要口服的精氨酸剂量很高，对应到体重 75 kg 的病人每日大约需要摄入 150 g 精氨酸，这几乎是不可能实现的。

因此，他们首先测试了原位注射 L-精氨酸饱和溶液是否可以起到类似的协同抑制效果。意外的是，不论是否联合 PD-L1 阻断疗法，直接将精氨酸注射到肿瘤中，并没有观察到肿瘤大小的减少。这可能是由于 L-精氨酸非常快速地扩散到了肿瘤之外而没有起到应有的效果。因此，研发另一种可以在肿瘤原位持续增加精氨酸浓度的手段，是非常有必要的。

由于细菌可以在肿瘤中生存得很好，因此该团队使用了一个非致病性大肠杆菌菌株 ECN，致力于建立一个肿瘤内部合成生物学基础的细胞疗法，从而可以在肿瘤原位实现高浓度的 L-精氨酸含量。

肿瘤代谢的产物常常导致氨的累积，因此研究人员对 ECN 进行了基因改造，使其可以将氨转向精氨酸合成。具体来说，他们删除了该菌株的精氨酸抑制子基因（ArgR），并且由于精氨酸合成的第一个酶 ArgA 的活性受到高浓度内源精氨酸的限制，他们引入了一个 ArgA^fbr表达，该基因表达一个反馈抑制的显性突变体，从而不会受到高水平 L-精氨酸表达的影响。

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在氯化铵作为唯一氮源的体外培养实验中，该 L-Arg ECN 细菌产生的 L-精氨酸水平远高于野生型。进一步的质谱研究也与该结果一致，L-Arg 细菌不表达 ArgR 但表达高水平的 ArgA^fbr ，与精氨酸合成通路相关的若干酶都出现了表达上调。

注射入肿瘤之后，L-Arg 细菌表现出与野生型相似的肿瘤内定植水平并能够长期在肿瘤内生存。植入 L-Arg 细菌的 MC38 肿瘤相比于植入野生型 ECN 菌株的肿瘤含有更高水平的 L-精氨酸表达。

取得了有效的生物工程免疫治疗模型后，研究人员进一步探索了这一肿瘤抑制现象的机制。通过对肿瘤组织的切片分析，他们发现在 L-Arg 细菌定植之后的肿瘤组织中有更多的肿瘤浸润 T 细胞，流式分析也证实了这一点。

因此，研究人员进一步分析，向 MC38 肿瘤中定植 L-Arg 细菌是否可以辅助抗 PD-L1 免疫疗法。MC38 成瘤小鼠接受了四次肿瘤内注射，注射物为野生型或 L-Arg 菌株，单独或合并抗 PD-L1 抗体。结果发现，合并用药降低了肿瘤的生长速率，并且 74% 使用了合并疗法的小鼠甚至根除了肿瘤。

与之相对的，单独使用抗 PD-L1 抗体或与野生型菌株合并使用，分别只有 44% 和 39% 的小鼠根除了肿瘤。这增加的 30% 根除肿瘤的治疗效果可归功于生物工程编辑的细菌。综合这些结果可知，L-Arg 菌株增强了 PD-L1 介导的免疫治疗。

接下来，研究者试图探究是否该免疫治疗效果是由 T 细胞介导的。他们在 T 细胞缺陷的 cd3e^-/-小鼠中重复了上述实验，同样的联合抗 PD-L1 治疗与 L-Arg 菌株定植并没有减弱肿瘤生长。所以，L-Arg 菌株的抗肿瘤效果是依赖于 T 细胞的。然后，他们从野生型成瘤小鼠中分离了 CD8+ T 细胞，发现联合用药增加了炎性细胞因子 TNF 的肿瘤浸润 T 细胞，并减少了同时表达 PD-1 和 LAG-3 的 T 细胞数量。

图片来源：Nature

研究者更进一步地在肿瘤已消除 90 天后的小鼠中进行 MC38 细胞的二次皮下注射，发现肿瘤并未生长，表明长期的抗肿瘤免疫记忆已形成。但此免疫记忆仅适用于 MC38 细胞，其他肿瘤细胞系仍可以形成与未处理组小鼠相近大小的肿瘤。

之后，研究者从肿瘤已消退 100 天后的小鼠中分离了 CD8+和 CD4+的记忆 T 细胞。5 x 10⁵ 的记忆 T 细胞被转移到已形成 MC38 瘤的小鼠中，显示出极佳的抗肿瘤活性。这些发现证实了 L-Arg 菌株合并抗 PD-L1 免疫治疗加强了肿瘤特异性 T 细胞的免疫记忆。

虽然肿瘤内注射菌株适用于可直达病灶的肿瘤，但系统性的摄入菌株也可以定位到不可直达的肿瘤。更高剂量的菌株通过静脉注入到成瘤小鼠体内后，对于很小的肿瘤，菌株并不能完全保持在肿瘤内，但对于体积大于 100 mm³ 的肿瘤，静脉注射 L-Arg 菌株也能够长期保持在原位，而其他组织没有观察到菌株生长。

随后，研究者们检测了静脉注射菌株联合抗 PD-L1 免疫治疗的治疗效率，结果显示观察到了对肿瘤生长的抑制，但仅有 40% 的小鼠能够完全根除肿瘤，这可能是由于初始的肿瘤过大，大约是之前实验的两倍。之后研究者们在其他的肿瘤模型中也测试了该生物工程改造菌株的肿瘤抑制效果，发现与 MC38 模型一致。

图片来源：Nature

综上所述，该研究通过合成生物学的手段构建了一个变异菌株，对肿瘤微环境进行了代谢物重塑。该 L-Arg 菌株疗法合并 PD-L1 阻断免疫治疗，产生了极强的依赖于 T 细胞的长期抗肿瘤免疫。

这些发现为免疫治疗提供了新的思路，奠定了在临床中使用合成生物学手段的可能性。

题图来源：站酷海洛

参考文献：

Canale, F.P., Basso, C., Antonini, G. et al. Metabolic modulation of tumours with engineered bacteria for immunotherapy. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04003-2