研究人员使用皮肤定植细菌在小鼠中创造一种局部癌症疗法

在研究一种生活在每个人健康皮肤上的细菌时，斯坦福医学院的研究人员和一位同事可能偶然发现了一种强大的抗癌新方法。

在对称为表皮葡萄球菌的细菌进行基因工程改造以产生肿瘤抗原(一种能够刺激免疫系统的肿瘤特有的蛋白质)之后，他们将活细菌应用于患有癌症的小鼠的皮毛上。由此产生的免疫反应足够强大，甚至可以杀死侵袭性转移性皮肤癌，而不会引起炎症。

“这看起来几乎就像魔术，”生物工程副教授迈克尔·菲施巴赫(Michael Fischbach)博士说。“这些小鼠的侧翼生长着非常具有侵略性的肿瘤，我们给了它们温和的治疗，我们只是取了一根细菌拭子，然后把它擦在它们的头皮上。

他们的研究于13月<>日在线发表在《科学》杂志上。Fischbach是资深作者，Yiyin Erin Chen博士，医学博士，博士，前斯坦福医学院博士后学者，现任麻省理工学院生物学助理教授，是主要作者。

皮肤定植者

数以百万计的细菌、真菌和病毒生活在健康皮肤表面。这些友好的殖民者在维持皮肤屏障和预防感染方面发挥着至关重要的作用，但关于皮肤微生物群如何与宿主免疫系统相互作用，还有很多未知数。例如，表皮葡萄球菌在定植细菌中是独一无二的，它触发了称为CD8 T细胞的强效免疫细胞的产生 - 负责对抗严重感染或癌症的“杀手”细胞。

研究人员表明，通过将肿瘤抗原插入葡萄球菌表皮中，他们可以欺骗小鼠的免疫系统产生靶向所选抗原的CD8 T细胞。这些细胞在整个小鼠体内移动，并在遇到匹配的肿瘤时迅速增殖，从而大大减缓肿瘤生长或完全熄灭肿瘤。

“看着这些肿瘤消失 - 特别是在远离我们应用细菌的地方 - 令人震惊，”Fischbach说。“我们花了一段时间才相信它正在发生。

无所事事的T细胞之谜

Fischbach和他的团队一开始并没有试图对抗癌症。他们想回答一个更基本的问题：为什么宿主生物会浪费能量制造T细胞来攻击有用的定植细菌?特别是因为这些T细胞是“抗原特异性的”，这意味着每个T细胞都有一个归巢受体，该受体与激活它的单个细菌片段相匹配。

更奇怪的是，由天然存在的表皮葡萄球菌诱导的CD8 T细胞不会引起炎症;事实上，他们似乎什么也没做。Fischbach说，大多数科学家认为殖民者诱导的T细胞必须与常规T细胞有根本的不同，因为它们不是在全身旅行以寻找目标，而是似乎停留在皮肤表面以下，以某种方式编程以保持细菌和宿主之间的和平。

为了测试这些殖民者诱导的CD8 T细胞是否表现得像常规杀伤性T细胞，研究人员设计了一种表皮葡萄球菌菌株来产生一种不同的抗原 - 一种将产生对小鼠中常用研究的肿瘤模型特异性的T细胞。

他们通过基因将编码卵清蛋白部分的DNA片段移植到葡萄球菌表皮表面。他们选择卵清蛋白是因为它已被设计成许多常用研究的小鼠肿瘤系，包括一种侵袭性黑色素瘤，因此可以在多种类型的癌症中充当肿瘤抗原。

肿瘤特异性T细胞的力量

接下来，科学家们将基因工程细菌应用于健康小鼠。因为表皮葡萄球菌是一种有效的皮肤定植者，所以它们不需要清洁或剃掉动物的皮毛，而只需在头上擦拭细菌即可。正如预期的那样，定植没有引起任何炎症或感染。

作为对照，其他小鼠要么用无细菌，野生型表皮葡萄球菌(不表达卵清蛋白肽)或热杀死表达卵清蛋白的表皮葡萄球菌处理，这些表皮不能定植皮肤，因为它已经死亡。

六天后，科学家们给小鼠注射了表达卵清蛋白的黑色素瘤肿瘤细胞。虽然所有三种类型的对照小鼠都迅速发展为皮肤肿瘤，但那些用活的基因工程表皮葡萄球菌治疗的小鼠肿瘤生长得更慢，在许多情况下，根本没有生长肿瘤。

当研究人员去寻找解释时，他们在皮肤的引流淋巴结，脾脏和缓慢生长的肿瘤中发现了卵清蛋白特异性CD8 T细胞 - 这意味着，Fischbach说，由定植细菌产生的T细胞必须携带与常规杀伤性T细胞相同的免疫潜力。

“老实说，我没想到它会起作用，”陈说。“所有其他类型的肿瘤疫苗研究都涉及放疗，化疗或手术，但我们几乎没有对这些小鼠做任何事情。T细胞为我们做了这项工作。

15个肿瘤中有16个消失了

为了确定他们的方法是否可以治疗已建立的黑色素瘤，研究人员尝试在用基因工程葡萄球菌表皮定植前两周注射癌细胞。

即使黑色素瘤已经转移到肺部，用细菌治疗也会大大缩小肿瘤的大小或消除它们，显着改善小鼠的存活时间。当研究人员使用天然存在的黑色素瘤抗原而不是卵清蛋白时，该方法也有效。

当研究人员将这种新疗法与第二种旨在增强T细胞活性的免疫疗法(称为“检查点阻断”)相结合时，其益处更加明显：15个已建立的肿瘤中有16个消失了。当小鼠在30天后重新注射更多的癌细胞时，肿瘤仍然没有生长。

“这似乎是记忆免疫反应的证据，”Fischbach说，“类似于疫苗后发生的事情。

研究人员现在认为，宿主生物体产生这些T细胞基本上是为了接种殖民者的疫苗，防止不可避免的割伤和擦伤，这些割伤和擦伤可能使细菌突破皮肤屏障。

“在这些实验中，我们基本上欺骗宿主认为肿瘤是细菌感染的，”Fischbach说，“然后宿主正在积极地追逐肿瘤。

科学家们还将黑色素瘤抗原换成了前列腺肿瘤抗原，并在前列腺癌小鼠模型中测试了他们的方法。同样，该疗法显着减缓了肿瘤生长，这表明基因工程皮肤定植细菌可以产生强大的免疫反应，而不仅仅是针对皮肤癌。

将疗法转化为人类

研究人员很快指出，在小鼠身上开发的癌症疗法并不总是对人类有效。但菲施巴赫说，我们有理由抱有希望。首先，由共同作者，美国国立卫生研究院超生物免疫部门负责人Yasmine Belkaid博士领导的一项研究表明，表皮葡萄球菌在灵长类动物中诱导与小鼠相同类型的CD8 T细胞反应。其次，虽然表皮葡萄球菌通常会在几周内从小鼠皮肤上消失，但大多数人被一些细菌菌株永久定植。

“人类皮肤是葡萄球菌表皮的天然家园，”Fischbach说。“在人类中，这种细菌将更有效地定植，可能导致肿瘤特异性T细胞的不断更新供应。

其他形式的癌症免疫疗法需要从患者身上收集T细胞，在实验室中对其进行工程设计以产生肿瘤特异性抗原，然后将它们注射回同一个个体，通常会产生严重的副作用。

“我们发现宿主日复一日地为生活在屏障表面的生物接种疫苗，”Fischbach说。“如果我们能够将这种免疫注意力的一点点引导到特定的癌症或潜在的传染病上，我们将拥有一种非常有效，低成本的疗法，可以简单地应用于皮肤。