利用工程菌移植来促进抗肿瘤免疫

撰文 | 胡小话

精氨酸（L-arginine）对于T细胞的功能十分重要，基于此，科学家们一直在尝试通过提升肿瘤微环境中的L-arginine 的水平来激活T细胞的抗肿瘤免疫【1】。然而，如何升高肿瘤微环境中arginine的水平却是一个棘手的难题。

2021年10月6日，来自瑞士提挈诺大学生物医学研究所的Roger Geiger领导的研究团队在Nature上发表了题为Metabolic modulation of tumours with engineered bacteria for immunotherapy的研究文章。他们利用合成生物学的方法开发出一种工程菌，该菌株可以在肿瘤中定植并持续将肿瘤的代谢废物氨转化为L-arginine, 从而协同增强PD-L1抗体的免疫治疗效果。

2016年，本文的通讯作者Roger Geiger以第一作者（兼通讯作者）的身份在Cell杂志上发文报道L-arginine会通过调节T细胞代谢来促进T细胞的存活和抗肿瘤活性【2】。因此，这项研究算是之前工作的一个延续。

作者首先考察了L-arginine在肿瘤免疫治疗中的作用。小鼠皮下荷瘤实验显示，给小鼠口服L-arginine的确会增强PD-L1抗体对于MC38细胞（小鼠结肠癌细胞）的抑制能力。但是为了起到抗肿瘤的效果，L-arginine用量需达到2mg/g体重，换算成人的剂量（体重以75kg计）则需要每天服用150g。很显然，这是一个不可能实现的目标。

考虑到细菌可以在肿瘤中定植【3】，且肿瘤在代谢过程中会产生游离的氨。所以作者利用合成生物学的方法对一种非致病的大肠杆菌（E. coli Nissle 1917，ECN）的Arginine 生物合成途径进行改造，使得该菌株可以利用氨去生成大量的L-arginine（作者将该菌株命名为L-Arg）。令人振奋的是，将L-Arg菌株注射到小鼠体内的MC38肿瘤中， ECN可以成功在肿瘤中定植并且会显著升高肿瘤内部的L-arginine水平。

接下来，作者考察了L-Arg菌株在肿瘤免疫治疗中的作用。作者发现，荷瘤小鼠在注射L-Arg菌株之后体内的CD4+和CD8+T细胞的肿瘤浸润是增加的，而FOXP3+调节T细胞的数目会减少。进一步，作者发现L-Arg与PD-L1抗体联用可以显著抑制肿瘤的生长，而注射未经改造的大肠杆菌则不具备这种能力。另外，为了验证L-Arg菌株的抗肿瘤功能是依赖于T细胞的激活，作者在Cd3e-/-小鼠（该小鼠缺乏所有T细胞）体内重复了之前的实验，发现L-Arg不能再增强PD-L1的抗肿瘤效果。这些实验共同说明L-Arg的确可改善基于检查点抑制剂的免疫治疗效果。

另外一个重要的实验现象是，作者发现在肿瘤消退的90天后再去皮下接种MC38细胞，肿瘤细胞则不能生长，这说明经过联合治疗的小鼠已经形成长期的抗肿瘤免疫记忆。进一步，为了测试L-Arg菌株的实用性，作者分别考察了瘤内注射（intertumoral injection）和皮下注射（intravenous injection）两种给药方式的治疗效果，结果显示皮下注射的L-Arg只会特异性的定植在肿瘤中，并且只会定植于大小超过100mm3的肿瘤，而对于体积较小的肿瘤则不起作用。

总的来说，该研究团队通过工程菌株移植的方法成功实现了提升肿瘤微环境的L-arginine水平的目标，并且他们证明该方法具有促进免疫治疗潜力。但是未来仍需要更多的研究去确定哪些肿瘤类型对L-Arg菌株具有良好的响应性，此外，静脉注射的安全性和有效性也需要提高。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04003-2

参考文献

1. He, X., Lin, H., Yuan, L. & Li, B. Combination therapy with l-arginine and α-PD-L1 antibody boosts immune response against osteosarcoma in immunocompetent mice. Cancer Biol. Ther. 18, 94-100 (2017).

2. Geiger, R. et al. l-Arginine modulates T cell metabolism and enhances survival and anti-tumor activity. Cell 167, 829-842.e813 (2016).

3. Forbes, N. S. Engineering the perfect (bacterial) cancer therapy. Nat. Rev. Cancer 10, 785 (2010)

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