光控细菌代谢物用于肿瘤治疗

    细菌可在肿瘤部位大量聚集，因此可以作为天然载体用于肿瘤靶向治疗。然而，单独的化学方法或基因方法都无法使细菌具有稳定性和高效率。基于此，张先正教授课题组提出了一种细菌充电策略，他们通过纳米光催化剂来增强细菌的代谢物活性。他们将氮化碳（C₃N₄）与携带NO生成酶的E.coli细菌结合，用于光控细菌代谢物治疗（PMT）。在光照条件下，C₃N₄产生的电子可以传递给E.coli细菌以触发内源NO₃^-的酶促还原反应，使产生的NO数量增强37倍。在小鼠模型中，担载了C₃N₄的细菌可以有效聚集在肿瘤区域，其代谢物对肿瘤的抑制效率高达80%。

图1. PMT体系的表征。a. PMT体系的制备示意图；b. CCN的UV−Vis吸收光谱；c. CCN@E. coli的TEM图片；d. CCN@E. coli的旋转圆盘共焦显微镜图像（蓝：CCN；红：E. coli）；e. N1s轨道的XPS光谱；f. C1s轨道的XPS光谱；g. 光子传递、电子接受及NO生成酶作用的示意图。

图2. PMT体系的体外研究。a. 通过Griess方法对产生的NO进行定量研究；b. 通过电化学方法对气体中的NO进行定量研究；c. CCN的瞬时光电流响应；d. 不同条件作用下细胞内NADH的含量；e. ¹⁵N-NMR用于监测CCN@E. coli的代谢情况；f. 鲁米诺化学发光实验用于定性监测NO的产生；g. 光控生成NO的示意图；h. 3D打印共培养体系的示意图；i. 共培养体系不同时间点的图片，用于分析CCN@E. coli的运动和NO的产生；j. 通过流式实验对不同材料处理后的4T1细胞产生NO的能力进行分析；k. 4T1细胞与不同浓度CCN@E. coli共培养后的存活率；l. 4T1细胞与不同浓度CCN@E.coli共培养并加入不同抑制剂后的细胞存活率。

图3. PMT体系的体内生物成像和生物相容性。a. CCN@E. coli的体内荧光成像以说明其肿瘤靶向性；b. CCN@E. coli在不同脏器中的离体荧光成像；c. E. coli和CCN@E. coli的肿瘤聚集能力；d. 对CCN@E. coli处理的肿瘤的切面进行分析，以说明其渗透性；e. 肿瘤的照片，以及通过CLARITY技术处理过的肿瘤的照片；f. 三维荧光成像对肿瘤内CCN@E. coli和乏氧区域进行共定位；g. CCN@E. coli的体外乏氧诱导趋药性；h. 通过PCR对不同组织中的CCN@E. coli进行分析；i. 血液的生化指标。

图4. 体内NO的产生与PMT体系的抗肿瘤能力。a. NO响应质粒作用的示意图与其在体外的NO响应能力；b. PMT体系在体内的NO产生能力；c. 通过NO响应的磁共振成像造影剂对PMT体系在体外与体内产生NO的能力进行表征；d. 对细胞凋亡水平进行成像；e. 对瘤内NO的水平、细菌数量及凋亡细胞的信号强度之间的关系进行半定量分析；f. 体内肿瘤治疗过程的示意图；g. PMT体系对荷4T1瘤小鼠的肿瘤治疗效率；h. PMT体系对荷CT26瘤小鼠的肿瘤治疗效率；i. PMT体系治疗14天后，4T1肿瘤的H&E染色；j. PMT体系治疗14天后，4T1肿瘤的TUNEL染色；k. 通过三维荧光成像来对肿瘤中CCN@E. coli和细胞凋亡区域进行共定位分析。