作者:甘晓 蒋程 来源:中国科学报 发布时间:2021/3/29 14:40:53
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细菌生长定植规律指导抗肿瘤细菌设计

 

在人类与癌症抗争的过程中,以Coley毒素为代表的肿瘤细菌疗法已有100多年的历史,但这一疗法治疗效果不稳定,且存在安全问题,如何精确控制细菌的生长和定植,成为了提升该疗法疗效必须攻克的核心难题。

在最近结题的国家自然科学基金重大研究计划“微进化过程的多基因作用机制”支持下,中科院深圳先进技术研究院研究员刘陈立带领的团队揭示了细菌生长定植的定量和进化规律,并有效地指导了人工抗肿瘤细菌设计。

研究团队以大肠杆菌为模型,发现细菌在空间扩张过程中,每个种群都有自己独特的“扩张策略”。这些小细菌根据各自想占领的空间面积及位置,调控自己的迁徙和生长速度,最终构成各占一隅的稳定格局。

在进一步的进化实验数据基础上,科研人员总结出一个简洁的群体空间定植方程,其中包括稳定的迁移速率、定植空间大小、生长速率等常数。根据该定量方程,在已知空间大小的条件下,便能算出细菌迁徙进化的最优策略。

在基于这一方程的动力学模拟中,研究团队发现过快的迁移速率会使种群变得不稳定,容易被迁移速率小的种群入侵。

这一定量规律能够为合成细菌空间定植的设计与构建提供基础理论指导。研究人员通过构建5株迁移速率不同、生长速率相同的菌株在空间不同区域的自发性定植,证实了这一推测:如果要合成稳定有序的人工生态系统,只需要“约束”细菌个体的运动和生长之间的定量关系,就可以让不同种群有序且稳定地分布在空间不同区域。

研究结果表明,通过构建合成基因线路改造细菌,对肿瘤的生长有显著的抑制效果,有助于实现细菌细胞在实体瘤内生长的精准控制,有效消除实体瘤。同时,科研人员发现,合成工程菌对肿瘤浸润巨噬细胞基因表达有影响,在利用细菌作为载体将光热纳米颗粒递送到小鼠肿瘤的实验中,研究团队实现了细菌与光热纳米颗粒的联合治疗。

该研究为阐明细菌治疗过程中肿瘤细胞和细菌的共进化模式提供了强有力的数据支持,并为有效合理地利用细菌治疗肿瘤提供了科学依据和技术支撑。目前,相关成果已获得多项专利且逐步实施转化应用。

 细菌群体迁徙进化实验示意图。(研究团队供图)

 
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