综述：用于靶向癌症治疗的基于工程微生物的递送系统

摘要

借助于工程技术，具有先天和人工优势的微生物已被视为癌症治疗的智能给药系统。虽然许多研究已经证实了微生物在癌症中的前景，但是在进一步的临床应用之前，应该解决几个问题，例如免疫原性和毒性。

这篇综述旨在研究用于靶向癌症治疗的基于工程微生物的给药系统的发展。详细介绍了细菌、病毒、真菌、微藻等微生物的主要种类及其组成和特点。此外，还进一步讨论了微生物的工程策略和生物材料设计。最重要的是，我们讨论了癌症中工程微生物的创新尝试和治疗效果。综上所述，基于工程微生物的递送系统在靶向癌症治疗的生物医学应用中具有巨大的前景。

参考期刊文章题目

基于微生物的癌症疗法已经得到了快速发展，应用活微生物治疗癌症正引起越来越多的兴趣。众所周知，微生物已经进化出特殊的生物功能以适应不断变化的环境，例如靶向能力、免疫原性效应和代谢行为，这些可以用于抗癌疗法。此外，据报道，还对微生物进行了基因工程改造，以赋予其有利的抗癌特性，包括降低毒性、激活代谢行为以及生成抗癌药物或蛋白质。已观察到几种类型的微生物具有显著的益生菌效果，如丁酸梭菌、乳酸杆菌和双歧杆菌，并可用于治疗紊乱的微生物群和其他疾病。因此，具有上述先天和人工优势的微生物已被视为借助于生物工程技术进行癌症治疗的潜在智能给药系统。

本综述旨在调查基于工程微生物的靶向癌症治疗给药系统的发展情况。详细介绍了微生物及相关组分的主要种类和特性。此外，还进一步阐述了微生物的工程策略和生物材料设计。最重要的是，我们讨论了癌症中工程微生物的创新尝试和治疗效果。本研究的局限性和未来的研究方向可能有助于提高微生物在癌症治疗中的应用。

用于靶向癌症治疗的基于微生物的递送系统的示意图

微生物在抗癌治疗中的优势和作用

基于微生物的给药系统在癌症治疗中的优势已经在具体特征方面得到证实，包括主动移动或游动能力、精确的肿瘤靶向和穿透行为、稳定的生物结构、在肿瘤微环境中灵活的存活和增殖、先天免疫的诱导、以及容易的工程化和功能化。

1.1 肿瘤靶向和渗透能力

允许微生物在癌症中靶向积累的主要机制如下:(a)由于某些专性或兼性厌氧微生物对低氧环境的嗜性，它们响应于癌症的低氧性质而主动靶向并向肿瘤组织移动；(b)微生物对癌细胞产生的化合物梯度的趋化性；(c)由于肿瘤的脉管系统，微生物被捕获在血液循环系统中，导致它们在癌症中被动积累；(d)逃脱迁移到癌组织中的微生物的免疫清除，因为癌症通常被认为是免疫豁免区室。因此，微生物的主动和被动靶向能力在增强抗癌功效中起着至关重要的作用。

1.2 固有稳定性

由于相对完整和稳定的结构，大多数微生物能够生活在人体的正常生理环境中，而不受环境变化的影响。更重要的是，这种结构稳定性表明基于微生物的药物输送系统可能保持稳定，并将药物输送到癌症。

1.3 肿瘤代谢的调节

微生物可以通过吸收坏死癌细胞中的营养物质在癌组织中存活。因此，仅单剂量治疗就足以实现长期抗癌功效。微生物也可能在肿瘤代谢中起作用，并进一步影响肿瘤生长。具体而言，微生物可能会争夺营养资源，重塑肿瘤微环境，甚至失调肿瘤代谢活动。此外，微生物代谢物或成分可用作肿瘤疫苗或抗癌治疗剂。微生物可通过基因工程生产用于癌症治疗的蛋白质、酶或药物。

1.4 无序微生物群的调节

研究表明，紊乱的微生物群参与了各种癌症的发展和进程。例如，紊乱的微生物群中某些微生物的过度生长可能会导致肿瘤发生，并伴有DNA损伤、免疫功能障碍和过量致癌代谢物。然而，一些益生菌微生物可能会通过调节紊乱的微生物群来发挥抗癌作用，这可应用于智能和有效的抗癌疗法。

微生物的工程策略

通过静电相互作用的物理整合

微生物表面通常带负电，因此可通过静电吸附将带正电材料附着其上，实现物理修饰。例如，乙二醇壳聚糖可将正电荷赋予细菌表面，使聚乳酸-羟基乙酸纳米颗粒稳定结合。此外，钙离子等金属阳离子能调节表面电荷，促进脂膜组装。通过逐层沉积阳离子壳聚糖与阴离子藻酸盐，可在益生菌表面构建交替层，增强其口服稳定性与活性。另一种策略是利用带电侧链嵌入细胞膜。如含阳离子的苝酰亚胺衍生物和聚合物可通过静电作用吸附于细菌表面，并借助疏水作用嵌入膜中，从而提升细菌的光捕获能力。为避免免疫识别，细胞膜包覆技术也被广泛用于微生物伪装，常通过挤出法构建纳米囊泡进行递送。总体而言，静电相互作用为微生物与功能材料的整合提供了简便途径，但大量正电材料可能影响膜稳定性，进而损害微生物活性，因此需在结构稳定性和生物活性间取得平衡。

共价共轭化学工程策略

微生物细胞壁富含肽聚糖、多糖、蛋白质等功能基团，如氨基、羧基、硫醇和羟基，适合进行表面化学修饰。其高比表面积也降低了修饰对细胞的负面影响。例如，含羧基的材料可通过碳二亚胺诱导与细菌表面伯胺形成酰胺键而结合；同样，带伯胺的材料也可通过类似反应连接到细菌上。此外，基于硫醇的交联也是常用的共价修饰方法。将功能材料通过共价方式结合于微生物表面，能显著增强其治疗效果（图2B）。采用可降解材料和环境响应型连接子，有助于降低毒性并实现精准递送。

基因编辑生物工程策略

基因工程技术已成为改造微生物递送系统的重要手段，如利用siRNA或CRISPR-Cas9技术编辑细胞基因。相比化学修饰，该策略更温和、生物相容性更高，且能实现功能的长期稳定表达。通过敲除毒性基因和引入特定功能，可构建安全高效的工程菌株，增强靶向性与代谢产物合成能力，用于多种疾病的治疗。工程菌还可作为“治疗工厂”，在肿瘤部位原位生成治疗分子，提高疗效并减少副作用。例如，有研究通过计算模型设计遗传回路，使工程菌激活抗肿瘤免疫反应；也有研究通过质粒转染使大肠杆菌过表达人过氧化氢酶，在肿瘤部位催化H₂O₂生成O₂以改善缺氧微环境。尽管已有临床试验探索工程菌在癌症等疾病中的应用，但仍需解决两个关键问题：一是如何保护微生物免受恶劣环境影响，维持其活性与功能；二是确保活体微生物及基因操作的安全性。结合表面包覆与基因工程可能为前者提供解决方案。

细胞膜包被策略

微生物因其自主运动、感知能力等优势，在微型机器人领域具有广泛应用。然而，其致病性和潜在副作用限制了临床转化。细胞膜具有良好的生物相容性和“自我识别”特性，可用于包裹微生物，规避免疫攻击。研究表明，红细胞膜可通过物理挤出法包覆细菌，使其保留原有活性的同时具备更低免疫原性（图2D）。另一种方法是通过生物素-亲和素相互作用将细胞膜附着于微生物表面。例如，有研究构建了红细胞膜包裹的生物混合微游管，可负载阿霉素和超顺磁性氧化铁纳米颗粒，兼具药物递送和磁场响应能力。

(A)通过静电相互作用的物理整合策略，(B)通过共价结合的化学工程策略，(C)通过基因编辑的生物工程策略，(D)细胞膜包被策略。比例尺:1 μm。Ce6:二氢卟酚E6；DOX:多柔比星；E. Coli:大肠杆菌；大肠杆菌(p):具有表达过氧化氢酶的质粒的大肠杆菌；粪肠球菌:粪肠球菌；Ec-PR848: PR848纳米颗粒负载大肠杆菌；LP:脂质体；MTB:趋磁细菌；pDA:聚多巴胺；PDOX:负载DOX的PLGA纳米粒子；PLGA:聚乳酸-羟基乙酸共聚物；金黄色葡萄球菌:金黄色葡萄球菌。

用于各种抗癌疗法和化疗的工程微生物

细菌介导的化疗 虽然众所周知，一些细菌感染可导致恶性肿瘤或增加癌症的风险，但一些细菌长期以来被视为潜在的化疗剂。一方面，细菌可以通过毒素、肽和细菌素发挥直接的抗肿瘤作用。例如，来自链球菌的牛霉素HC5通过在细胞膜上钻孔来破坏肿瘤细胞，从而诱导钾外流，而S2绿脓杆菌破坏多种癌细胞系的DNA序列，从而诱导细胞死亡。另一方面，它们被广泛用作肽、治疗药物或基因的工程载体。

细菌在癌症化疗中的两种应用

更多内容参见原文献。。。

总结

这篇综述深入探讨了用于靶向癌症治疗的工程微生物递送系统。首先介绍了细菌、病毒、真菌和微藻等主要微生物类型及其特性，以及相关的工程策略，包括物理、化学和生物方法对微生物与功能材料的整合。同时总结了工程微生物在癌症治疗中的创新应用与成效。总体而言，基于工程微生物的递送系统在癌症治疗中展现出广阔前景。 然而，在其广泛应用前仍需克服一些挑战： (a) 需进一步研究微生物及功能材料在人体内的动态行为与最终归宿，这对临床转化至关重要。 (b) 微生物具有激活抗癌免疫反应的潜力，但需谨慎平衡免疫刺激与过度炎症反应之间的关系。 (c) 功能材料无法像微生物一样自我复制，限制了其协同疗效。可通过基因工程技术，将功能材料的编码基因导入微生物，实现二者同步增殖。 (d) 盲目清除微生物可能误伤有益菌群，影响治疗效果甚至导致病情恶化。因此，对抗癌微生物进行更精准调控至关重要。

参考资料

Engineered microorganism–based delivery systems for targeted cancer therapy: a narrative review.https://biomat-trans.com/journal/BMT/3/3/10.12336/biomatertransl.2022.03.004

【相关资源】

幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）菌株编号：HZB369015, ATCC 43504, JCM 7653

发酵乳杆菌（Lactobacillus fermentum）菌株编号：HZB361754, ATCC 14931

类球布劳特氏菌（Blautia coccoides）菌株编号：HZB359857, ATCC 29236, DSM 935, JCM 1395

脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis） 菌株编号：HZB360517, ATCC 43860

普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii） 菌株编号：HZB366920, ATCC 27766

艰难梭菌(Clostridioides difficile)，菌株编号：HZB354279, ATCC BAA-1870

嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila） 菌株编号：HZB705924, DSM 22959, ATCC BAA-835

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更新日期：2025-05-15

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编制人：磊子  |  审稿人：小藻