生物正交与合成生物学:工程改造的细菌外膜囊泡在增强光免疫疗法中的应用

《Acta Biomaterialia》:Bioorthogonal and Synthetic Biology-Engineered Bacterial Outer Membrane Vesicles for Enhanced Photo-Immunotherapy

【字体: 时间:2026年02月24日 来源:Acta Biomaterialia 9.6

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  利用合成生物学将mIL2基因导入BL21菌株,使其自主产生含mIL2的细菌外膜囊泡(OMV),结合电穿孔负载光热 sensitizer ICG,并利用代谢 glycoengineering 和生物正交点击化学(N3/DBCO)实现肿瘤特异性靶向。体内实验显示该OMV-mIL2-ICG-DBCO平台显著增强肿瘤归巢、光热消融效率和抗肿瘤免疫应答,有效抑制原发肿瘤生长并降低副作用。

  
刘冠楠|费正月|陶新月|王慧琴|李雪明|任浩
中国江苏省南京工业大学生物技术与制药工程学院

摘要

细菌外膜囊泡(OMVs)已成为癌症免疫治疗的多功能平台,但其临床应用受到药物装载能力有限、肿瘤积累效果不佳以及快速清除机制的阻碍,这些因素共同影响了抗肿瘤免疫反应的诱导效果。本文设计了一种多功能纳米载体OMV-mIL2-ICG-DBCO,结合了细胞因子递送、光热疗法和生物正交靶向技术,以克服这些挑战。通过合成生物学手段,对原始细菌进行改造,使其能够自主产生富含白细胞介素-2(mIL2)的OMVs,从而赋予这些囊泡内在的免疫刺激活性。随后将光敏剂吲哚菁绿(ICG)通过电穿孔技术封装到OMVs中,实现近红外光触发的热疗效应、免疫原性肿瘤细胞死亡以及肿瘤相关抗原的释放。同时,利用叠氮化物功能化的糖前体进行代谢糖工程改造,在肿瘤细胞表面引入N?基团;OMVs则通过二苯并环辛炔(DBCO)进行功能化处理,以实现高度特异性的生物正交结合和肿瘤内的选择性积累。体内实验表明,OMV-mIL2-ICG-DBCO显著提升了肿瘤靶向能力、增强了光热治疗效果,并显著激活了抗肿瘤免疫反应,与无靶向对照组相比,显著抑制了原发肿瘤的生长并降低了脱靶毒性。这一基于生物正交靶向和光热免疫治疗的OMV平台为增强抗肿瘤免疫提供了有效策略,是治疗乳腺癌的有希望的候选方法。

意义声明

细菌外膜囊泡(OMVs)是一种具有天然免疫原性的纳米载体,但其治疗效果受到肿瘤靶向性和药物装载能力不足的限制。本研究开发了一种双重工程化的OMV平台,结合了基因工程表达的IL-2和生物正交糖代谢标记(N?/DBCO),实现了可编程的免疫调节和肿瘤特异性递送。OMVs还通过电穿孔技术装载了吲哚菁绿,从而实现光热触发的免疫原性细胞死亡,促进抗原暴露和树突状细胞成熟。这种生物学与化学工程的协同作用赋予了OMVs精确的靶向性、强效的免疫激活效果,并将脱靶光热效应降至最低。该平台为癌症免疫治疗中活体生物材料的工程化提供了一个通用且灵活的框架。

引言

外膜囊泡(OMVs)作为肿瘤免疫治疗的新平台,具有细菌疫苗、佐剂和药物递送载体的多重功能[[1], [2], [3], [4]。其内在的佐剂特性源于富含多种病原体相关分子模式(PAMPs),如脂多糖(LPS)、鞭毛蛋白和肽聚糖[5],这些成分有助于高效呈递抗原并强烈激活宿主免疫反应。此外,OMVs具有优异的生物相容性、高药物装载能力和易于表面修饰的特点,使其成为靶向递送的理想载体[6]。合成生物学的进步进一步拓展了OMVs的功能范围,使得可以对原始细菌进行基因工程改造[[7], [8], [9], [10], [11]。工程化的OMVs能够自主合成和释放治疗性物质,保持药物活性,简化制备流程,降低生产成本,并克服天然囊泡的诸多局限性[6, 12]。有效的肿瘤免疫治疗需要持续供应肿瘤抗原以维持免疫反应[13]。光热疗法(PTT)作为一种非侵入性和可控的方法,通过光敏剂将近红外光转化为局部热量,从而损伤肿瘤细胞[[14], [15], [16], [17], [18], [19]。除了直接杀伤肿瘤细胞外,PTT还能促进肿瘤相关抗原的释放并触发免疫原性细胞死亡(ICD),进而增强抗肿瘤免疫反应[[20], [21], [22]。将OMVs与PTT结合使用可增强全身免疫反应,抑制原发肿瘤和转移灶,并降低复发风险[[23], [24], [25]。然而,这种双策略仍受OMVs在体内快速被巨噬细胞清除以及非特异性加热可能损伤周围健康组织的限制。
为解决这些问题,提升OMVs的靶向能力至关重要。一种有前景的方法是将生物正交点击化学与代谢糖工程相结合,实现精确的体内靶向[26, 27。生物正交反应在复杂生物环境中快速且选择性地进行,不会干扰天然生化过程[28], [29], [30],使OMVs能够与肿瘤细胞表面的特定基团发生反应[31, 32。代谢糖工程通过将人工糖类(如N-叠氮乙酰甘露胺(Ac?ManNAz)引入细胞糖链合成,使肿瘤细胞表面显示N?基团[33], [34], [35]。随后给予DBCO修饰的OMVs,可引发DBCO与N?之间的生物正交反应,实现OMVs在肿瘤部位的选择性积累,规避了传统配体-受体对的局限性[36, 37。基于这些原理,我们设计了OMV-mIL2-ICG-DBCO这一多功能纳米载体,整合了免疫刺激、光热疗法和生物正交靶向功能,以增强抗肿瘤免疫。白细胞介素-2(IL-2)是美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于癌症免疫治疗的第一个细胞因子,以其增强抗肿瘤免疫反应的能力而闻名[38。我们利用合成生物学技术改造OMVs,使其能够自主合成并释放小鼠IL-2(mIL2),促进肿瘤浸润T细胞的增殖和激活。这些OMVs还作为光敏剂吲哚菁绿(ICG)的载体,在近红外(NIR)照射下产生局部热效应,触发ICD并促进肿瘤相关抗原的释放。此外,叠氮化物功能化的糖前体(如Ac?ManNAz)用于在肿瘤细胞表面引入N?基团,使DBCO修饰的OMVs通过生物正交点击化学特异性结合到肿瘤细胞上(图1)。综上所述,OMV-mIL2-ICG-DBCO系统结合了细胞因子递送、光热诱导的肿瘤消融和精确的生物正交靶向,有效增强了抗肿瘤免疫反应。

部分内容说明

表达mIL2蛋白的质粒构建

pET3a质粒用BamHI酶切后,将小鼠IL-2编码序列通过同源重组整合到质粒中,得到pET3a-mIL2质粒。随后将其转化到BL21感受态细胞中,培养获得持续表达mIL2的重组菌株,用于后续实验。

OMV-mIL2的制备

将过夜培养的细菌加入新鲜培养基中扩增,直至OD600=1.6-1.8。然后以6000 rpm、4°C离心10分钟

纳米载体OMV-mIL2的制备与表征

选择BL21菌株作为表达小鼠白细胞介素-2(mIL2)的载体(图S1-S2)。通过连续细胞破碎和差异离心从培养上清液中回收工程化的OMV-mIL2(图2A)。为验证mIL2的成功整合,进行了Western blotting和ELISA检测。如图2B、C和图S3所示,OMV-mIL2中的mIL2水平明显高于

结论

本研究开发了一种创新的基于外膜囊泡的纳米平台OMV-mIL2-ICG-DBCO,用于精准癌症治疗。通过整合能够递送生物活性mIL2的基因工程OMVs和ICG介导的光热疗法,该系统在体外体内均有效诱导了免疫原性细胞死亡(ICD)并激发了强烈的抗肿瘤免疫反应。局部热疗、ICD相关的危险信号释放以及持续的免疫效应共同发挥了作用

数据获取

本研究的数据可应要求向通讯作者索取。

作者贡献声明

刘冠楠:数据整理、初稿撰写、审稿与编辑、数据可视化、实验监督、资金获取。费正月:初稿撰写、数据整理、实验设计。陶新月:数据可视化、实验设计、数据整理。王慧琴:实验设计、数据整理。李雪明:数据整理、审稿与编辑、数据可视化、实验监督。任浩:数据整理、初稿撰写、资源准备。

作者贡献声明

刘冠楠:撰写-审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、实验监督、资金获取、概念构思。费正月:初稿撰写、实验设计、数据整理。陶新月:数据可视化、实验设计、数据整理。王慧琴:实验设计、数据整理。李雪明:审稿与编辑、数据可视化、实验监督、实验设计。任浩:审稿与编辑、撰写
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