惊!将一种工程大肠杆菌与西兰花一起食用可消退小鼠的结直肠肿瘤

惊！将一种工程大肠杆菌与西兰花一起食用可消退小鼠的结直肠肿瘤！
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近日，《Nature Biomedical Engineering》在线报道了一篇文章：来自新加坡国立大学杨潞龄医学院的Chun Loong Ho等人构建了一种工程大肠杆菌，与十字花科蔬菜一起喂养小鼠可以促进结直肠肿瘤的消退。

该团队重新编程共生大肠杆菌（Escherichia coli Nissle 1917，EcN），可以与癌细胞表面的硫酸乙酰肝素蛋白多糖（HSPG）进行特异性结合，并分泌黑芥子酶，将宿主摄取的十字花科天然成分硫代葡萄糖苷转化为萝卜硫素。

产生的萝卜硫素抑制癌细胞的生长并促进细胞凋亡，导致结直肠肿瘤的清除。

清除后，重新编程的微生物从大肠组织脱落，并以粪便形式排出。

图工程微生物Eda-i1-HlpA用于腺癌的清除。

a，Eda-I1-HlpA构建体。

分泌的YebF-I1黑芥子酶（YebF-I1 myrosinase）将硫代葡萄糖苷（glucosinolate）水解成萝卜硫素（sulforaphane），INP-HlpA促进与CRC细胞结合。

b，Eda-I1-HlpA的作用模式。

口服引入的工程微生物与CRC细胞表面结合（左），使Eda-I1-HlpA分泌黑芥子酶以转化饮食摄入的硫代葡萄糖苷（中）。

在癌细胞清除后，Eda-I1-HlpA从
肠粘膜层的表面释放（右）。

化学预防是指使用药物或天然药物来治疗癌前病变并抑制肿瘤的起始。

结直肠癌（Colorectal cancer，CRC）的化学预防可以减少肿瘤发生率并延缓肿瘤发展。

但是常用的化学预防药物如非甾体抗炎药、叶酸、钙、维生素D和抗氧化剂具有种族和年龄特异性。

也可以通过消耗富含天然代谢物的产物，如异硫氰酸酯、吲哚、醌类、生物碱和酚类，增加化学预防。

然而，这些天然存在的化学预防代谢
物通常具有低的生物利用度和较差的宿主吸收，因此需要特定食物类别的高消耗以引起有效的化学预防。

因此，一种工程微生物应运而生：
图包含结合模块基因和黑芥子酶分泌基因的最终基因构建体。

将分别带有丙氨酸营养缺陷型标记的J23105和J23108组成型启动子，克隆到丙氨酸缺陷型大肠杆菌Nissle菌株（Eda）中来控制INP-HlpA和YebF- I1的表达。

这些工程微生物（Eda-I1-HlpA）特异性地结合CRC细胞，并分泌YebF-I1黑芥子酶，将周围的硫代葡萄糖苷转化为具有抗癌活性的萝卜硫素（异硫氰酸酯）。

哺乳动物不表达黑芥子酶（一种将硫代葡萄糖苷水解成萝卜硫素的β-硫代葡糖苷酶）。

工程微生物分泌的酶需要在生理结肠直肠条件下发挥功能。

该工程大肠杆菌产生的黑芥子酶在不同的pH和温度变化下都具有超高的稳定活性和催化效率。

肿瘤细胞从发育不全、初始癌变到完全发展为肿瘤块过程中，HSPG上调，使得HSPG 成为预防治疗的理想靶点。

Eda-I1-HlpA微生物表达溶血链球菌衍生的HlpA，可以在体外和体内结合至结肠直肠腺癌细胞的富含HSPG的区域。

这种肿瘤结合是表面依赖性的，随着肿瘤的退化， Eda-I1-HlpA会从结直肠脱落。

当Edig-I1-HlpA微生物被引入癌细胞中时，改善了萝卜硫素向癌细胞的传递，观察到有超过95％的CRC细胞被清除。

表明Eda-I1-HlpA与硫代葡萄糖苷联合是一种有效的选择性抑制剂，可抑制CRC细胞生长。

图 Eda-I1-HlpA的体外抗癌活性。

活细胞染成绿色，死细胞染成红色。

用Eda-I1-HlpA和十字花科蔬菜（如西兰花）饮食喂养的AOM / DSS诱导型CRC 小鼠，与阳性对照（仅用西兰花喂养的小鼠，仅用工程微生物喂养的小鼠，用标准饲料而没有用工程微生物喂养的小鼠）相比肿瘤更小且更少。

Eda-I1-HlpA喂养的十字花科饮食小鼠比Eda-I1喂养的十字花科饮食小鼠的肿瘤减少2倍。

此外，使用Eda-I1-HlpA能够快速促进直肠出血的恢复。

存在于胃肠道健康上皮组织中的低水平表面HSPG可能是Eda-I1-HlpA的弱结合位点，导致硫代葡萄糖苷的脱靶转化，但是任何脱靶转化都不会对宿主产生有害影响。

图使用苏木精和曙红染色的大肠组织。

用Eda-I1-HlpA和西兰花或sinigrin（辣根硫代葡萄糖苷）饲
喂的小鼠中肿瘤消退，比阳性对照少75％。

作者选用EcN微生物，因为它具有预防炎症性肠病及在结肠区定植的能力。

虽然微生物合成和分泌抗癌化合物的概念对于靶向药物递送是有吸引力的选择，但是也具有局限性。

这样的限制包括细胞合成药物在结直肠道中的细胞数量依赖性和不确定剂量，前体生物利用度。

抗癌化合物的不确定剂量可能对低于有效浓度的癌细胞无效，而过量可能导致宿主细胞毒性。

为了克服这些限制，作者使用黑芥子酶和十字花科植物来源的硫代葡萄糖苷进行癌细胞周期抑制和诱导细胞凋亡。

这种选择是因为摄取的植物来源硫代葡萄糖苷被癌细胞吸收很差。

硫代葡萄糖苷不影响原代干细胞或其它非癌细胞系，哺乳动物细胞不具有转化这些化合物的能力，也不表达黑芥子酶，这使得这种黑芥子酶—硫代葡萄糖苷组合成为靶向癌细胞的潜在工具。

Eda-I1-HlpA适用于肿瘤前期至1期中CRC的化学预防或与常规化学疗法或免疫疗法配合使用的补充疗法，以改善比1期更严重的癌症。

相信在不久的将来可以使用Eda-I1-HlpA这种工程微生物作为膳食补充剂，加上十字花科的常规饮食来预防CRC的发生和发展，或者作为术后护理补充剂来改善患者的恢复。

原始论文：
Engineered commensal microbes for dietmediated colorectal-cancer chemoprevention.
Nature Biomedical Engineering. Published online:10 January 2018.。