研究发现大肠杆菌机器人可用于抗击癌症

日前，德国马克斯-普朗克研究所（MaxPlanckInstitute）的科研人员完成了一项突破性研究，他们成功将大肠杆菌改造为可以治疗癌症的“微生物机器人”，这一创举将看似只能在科幻小说中出现的情节变为了现实，该研究成果已于近日整理发表在《科学》杂志的子刊ScienceAdvances上。

作为最常见的微生物物种之一，大肠杆菌可以在多种介质中快速地游动，此外它们还具备了较强的环境感知能力，可以被多种环境信号所吸引，如化学梯度、低氧水平或高酸性——后两者恰好是肿瘤组织附近的微环境特征。因此，科学家们一直尝试将其用于肿瘤治疗，譬如在肿瘤组织附近注射细菌，随着细菌向肿瘤所在之处流动并生长，以此激活肿瘤微环境中的免疫反应来消灭肿瘤，这种细菌所介导的肿瘤疗法在一个多世纪以来一直是癌症治疗手段之一。在过去的几十年间，科学家们一直在寻找进一步增强微生物对肿瘤杀伤能力的方法，他们尝试着为细菌增加额外的组分来帮助对抗癌症，但是这并不是一件容易的事。在这篇研究中，研究者终于成功在大肠杆菌外膜上添加了纳米脂质体和磁性颗粒的“外挂装备”，每个大肠杆菌细胞中，就有86个细胞成功装载有上述分子。

▲经改造后的大肠杆菌细胞示意图（图片来源：参考资料[1]）

要将大肠杆菌改造为具有抗癌效力的“微生物机器人”，首先要解决的问题是如何保证细菌不“迷路”。在这项研究中，研究人员通过在细菌表面装载磁性纳米分子来引导细菌准确靶向肿瘤，并同时装载了包含抗肿瘤药物分子的纳米脂质体。当暴露于磁场中时，这些磁性纳米颗粒对于大肠杆菌来说起到了顶部“助推器”的作用，这使得研究者更容易控制大肠杆菌的游动，特别是在体内环境下。一旦这些大肠杆菌驻扎在肿瘤附近，包含着抗肿瘤药物的纳米脂质体将在近红外激光的作用下溶解、释放出药物分子，此外低pH值的酸性区域也可以触发纳米颗粒的破裂。

在本研究中，科学家们展示了他们如何从外部引导这些大肠杆菌穿越不同的环境。研究者将这些细菌置入磁场中，并设置了许多包含不同生物障碍的路线，来测试它们的游动能力、以及在外部引导下它们穿越不同通道和介质的能力，以此来模拟在体内环境中大肠杆菌的运动状况。通过测试，研究人员发现只要置身于磁场下，这些大肠杆菌会设法一直游动到环境的另一端。如下图所示，经过多次路线调整，大肠杆菌最终找到了穿越这些纤维丝的路径。

▲大肠杆菌细胞在磁场引导下穿越纤维性环境的示意图（图片来源：参考资料[1]）

“想象一下，我们将这种基于大肠杆菌的微生物机器人注入癌症患者的体内，使用磁铁我们就可以精确地将它们引向肿瘤。一旦有足够多的微型机器人围绕在肿瘤附近，我们就会将激光对准癌组织，从而触发抗癌药物释放。这样一来，不仅能唤醒免疫系统，而且微生物所携带的抗肿瘤药物也有助于摧毁肿瘤。”本文的第一作者BirgülAkolpoglu博士在新闻稿中补充解释道。

“基于细菌、并具有医疗功能的微型机器人有一天可以更有效地对抗癌症，这是一种全新的治疗手段，”本文的通讯作者MetinSitti博士评论道，“细菌微型机器人在寻找和破坏肿瘤细胞方面的治疗效果可能是极为显著的，我们的工作是利用基础性科学研究造福社会的一个很好的例子。”

参考资料：

[1]MukrimeBirgulAkolpogluetal.“Magneticallysteerablebacterialmicrorobotsmovingin3Dbiologicalmatricesforstimuli-responsivecargodelivery.”ScienceadvancesVol8,Issue28.15Jul,DOI:10./sciadv.abo

[2]Bacteria-basedbiohybridmicrorobotsonamissiontoonedaybattlecancer,RetrievedJuly19th,,from