合成生物学在癌症免疫治疗中的应用：通过抑制IDO活性和重编程CD8+ T细胞反应进行癌症免疫治疗的工程细菌

学术背景

近年来，癌症免疫治疗取得了显著进展，尤其是通过激活T细胞来对抗肿瘤。然而，肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）中的代谢适应往往导致T细胞功能受损，限制了免疫治疗的效果。其中，色氨酸（Tryptophan, Trp）代谢在T细胞功能中扮演着重要角色。肿瘤细胞通过表达吲哚胺2,3-双加氧酶（Indoleamine 2,3-Dioxygenase, IDO）消耗色氨酸，导致其代谢产物犬尿氨酸（Kynurenine, Kyn）的积累，进而抑制效应T细胞的功能，形成免疫抑制的微环境。尽管IDO抑制剂在临床前模型中显示出潜力，但其在临床试验中面临诸多挑战，如脱靶效应和毒性问题。

为了解决这些问题，研究者们开始探索利用合成生物学技术，通过基因工程改造细菌来调节肿瘤微环境中的代谢信号，从而增强T细胞的抗肿瘤活性。本研究通过基因工程改造了丁酸梭菌（Clostridium butyricum, CB），使其能够持续释放色氨酸和丁酸，从而抑制IDO活性并重编程CD8+ T细胞的代谢反应，最终达到抑制肿瘤生长的目的。

论文来源

本论文由Heng Wang、Fang Xu、Chenlu Yao等作者共同完成，作者来自Soochow University（苏州大学）等多个研究机构。论文于2024年12月18日发表在PNAS（Proceedings of the National Academy of Sciences）期刊上，题为《Engineering bacteria for cancer immunotherapy by inhibiting IDO activity and reprogramming CD8+ T cell response》。

研究流程与结果

1. 基因工程改造丁酸梭菌（L-Trp CB）

研究者首先通过基因工程手段，将色氨酸合成相关基因（trpE, trpD, trpC, trpB, trpA）插入到丁酸梭菌的质粒中，构建了能够持续释放色氨酸的工程菌株（L-Trp CB）。通过定量PCR和高效液相色谱（HPLC）分析，证实了L-Trp CB能够高效表达色氨酸合成酶并释放大量色氨酸。此外，L-Trp CB还保留了丁酸的生产能力，丁酸能够通过抑制IDO活性，阻止色氨酸的分解和犬尿氨酸的积累。

2. L-Trp CB对肿瘤细胞和T细胞的影响

体外实验表明，L-Trp CB释放的丁酸能够显著降低多种肿瘤细胞中IDO的表达，从而减少色氨酸的消耗。同时，L-Trp CB释放的色氨酸能够显著促进CD8+ T细胞的增殖和功能，增强其效应表型。通过代谢分析，研究者发现L-Trp CB能够显著提高CD8+ T细胞的氧化磷酸化和糖酵解水平，从而增强其能量代谢和抗肿瘤活性。

3. L-Trp CB在动物模型中的抗肿瘤效果

在多种小鼠和兔子的肿瘤模型中，L-Trp CB能够选择性地定植于肿瘤组织，并显著抑制肿瘤生长。通过生物发光成像和流式细胞术分析，研究者发现L-Trp CB能够显著增加肿瘤浸润CD8+ T细胞的比例和功能，同时减少肿瘤微环境中的免疫抑制信号。此外，L-Trp CB与PD-L1阻断剂联合使用能够产生协同抗肿瘤效应，显著延长动物的生存期。

4. L-Trp CB对CD8+ T细胞代谢的重编程

通过单细胞RNA测序和基因集富集分析（GSEA），研究者发现L-Trp CB能够显著上调CD8+ T细胞中与糖酵解、三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化相关的基因表达，从而增强其能量代谢和效应功能。此外，L-Trp CB通过激活mTORC1信号通路，进一步促进了CD8+ T细胞的代谢重编程和抗肿瘤活性。

结论与意义

本研究通过基因工程改造丁酸梭菌，开发了一种能够持续释放色氨酸和丁酸的工程菌株（L-Trp CB），该菌株能够选择性地定植于肿瘤组织，抑制IDO活性并重编程CD8+ T细胞的代谢反应，从而显著抑制肿瘤生长。这一研究为癌症免疫治疗提供了一种新的合成生物学策略，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 创新性：本研究首次通过基因工程改造丁酸梭菌，使其能够同时释放色氨酸和丁酸，从而抑制IDO活性并重编程CD8+ T细胞的代谢反应。
2. 高效性：L-Trp CB在多种动物模型中显示出显著的抗肿瘤效果，且与PD-L1阻断剂联合使用能够产生协同效应。
3. 安全性：L-Trp CB在动物模型中表现出良好的耐受性，未观察到明显的副作用。

未来展望

尽管本研究取得了显著成果，但仍有一些问题需要进一步探索。例如，L-Trp CB在人体中的安全性和有效性仍需通过临床试验验证。此外，L-Trp CB对其他免疫细胞（如髓系细胞）的影响也需要进一步研究。未来，研究者可以通过优化工程菌株的设计，进一步提高其抗肿瘤效果和临床应用潜力。

本研究为癌症免疫治疗提供了一种新的合成生物学策略，具有广阔的应用前景。