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ACS Nano | 南昌大学黄小林、陈廷涛、丁露/港中深唐本忠院士:智能细菌机器人诱导焦亡抗癌

2026-06-27 12:45:20

英文原题：Engineered Bacteria-Driven Biohybrid Microrobots Potentiate IL-2 Immunotherapy by Evoking Pyroptosis

通讯作者：丁露，南昌大学第一附属医院；陈廷涛，南昌大学；黄小林，南昌大学；唐本忠，香港中文大学（深圳）

作者：Ping Li (李萍), Qianying Li (李倩影), Lu Ding (丁露)*, Shiyu Peng (彭诗宇), Hui Wei (魏慧), Tingtao Chen (陈廷涛)*, Yonghua Xiong (熊勇华), Ben Zhong Tang (唐本忠)*, Xiaolin Huang (黄小林)*

背景介绍

在抗击癌症的现代战场上，免疫疗法（如细胞因子治疗）被寄予厚望。作为其中的“王牌老将”，白介素-2（IL-2）曾让无数医学学者看到治愈恶性肿瘤的曙光。然而，这也是一把出了名的“双刃剑”：极短的半衰期（不到30分钟）、剧烈的全身毒性、极差的肿瘤部位富集度，使其在临床应用中屡屡受限。更糟糕的是，许多恶性肿瘤如同构筑了高耸的“冰封要塞”——它们在免疫学上被称为“冷肿瘤”，其内部缺乏有效的T细胞浸润、免疫原性极低，让常规的免疫检查点阻断疗法束手无策。因此，如何安全、精准地在肿瘤局部富集IL-2，并打破冷肿瘤的免疫抑制屏障，是当前生物医学工程和肿瘤免疫治疗领域亟待解决的核心难题。

图1. 生物杂交微型机器人（IL-2@Z/C/A）的构建及其空间受控级联响应治疗冷肿瘤的机制示意图。

文章亮点

为了克服IL-2临床应用的缺陷并攻克冷肿瘤堡垒，南昌大学黄小林研究员团队联合港中深唐本忠院士团队，打造了一种具有智能级联调控功能的生物杂交微型机器人（IL-2@Z/C/A）。该机器人以能够自发分泌优化改良版IL-2变体（Neo-2/15）的工程大肠杆菌 Nissle 1917为内核，在其表面仿生矿化包裹了一层ZIF-8智能机甲外壳，并在外壳中协同装载了聚集诱导发光（AIE）光敏剂（TEPy）和过氧化氢酶（CAT）。该机器人展现出精妙的弱酸响应控释特性，能够通过“解除缺氧-诱导ICD-执行焦亡”的多模态级联机制，突破实体瘤的免疫抑制屏障，实现了高效、安全的精准局部细胞因子免疫治疗。

IL-2@Z/C/A的成功构建得到了系统且深入的表征。形貌与微结构分析显示，相较于表面光滑的未修饰工程菌，矿化包裹后的IL-2@Z/C/A外表呈现出致密的颗粒感，流体力学直径由1.2 μm增至1.6 μm。紫外吸收光谱进一步证实了AIE光敏剂与过氧化氢酶在矿化层中的高效共负载，元素分布图谱证实Zn、O、N、C等核心元素在细菌表面的分布高度均匀，X射线衍射和光电子能谱确证了IL-2@Z/C/A表面具备高结晶度的ZIF-8智能机甲结构。

图2. IL-2@Z/C/A的合成及表征。

在生理屏障防护与智能控释方面，IL-2@Z/C/A展现出了极佳的微环境响应性。在正常生理环境中，外壳能够有效锁紧载荷并使内部细菌处于“暂时休眠”状态，从而抑制了早期的不必要增殖，消除了潜在的外周脱靶毒性；同时，这层铠甲能保护细菌和酶免受宿主免疫系统或蛋白酶的破坏。而一旦IL-2@Z/C/A集结于弱酸性的肿瘤微环境中，ZIF-8外壳迅速解离并表现出极佳的酸触发控释曲线，使复活的工程菌化身为高效反应器，持续分泌IL-2。

图3. IL-2@Z/C/A的pH响应性功能及生物保护作用。

在模拟实体瘤严重低氧与免疫抑制的体外黑色素瘤共培养模型中，IL-2@Z/C/A展现出了压倒性的联合杀伤优势。在光动力联动下，B16F10黑色素瘤细胞的存活率急剧跌落至仅9.2%，显著高于单纯工程菌组或Z/C/A+光照组。流式细胞术定量分析证实其诱导的细胞死亡百分比高达60.1%，并且即使在无光照的情况下，依靠催化产氧和切断缺氧恶性信号，IL-2@Z/C/A也能显著阻断黑色素瘤细胞的迁移与恶性侵袭行为。

图4. IL-2@Z/C/A体内抗肿瘤效果。

深入的分子生物学机制研究最终揭开了IL-2@Z/C/A引爆肿瘤细胞的奥秘。免疫荧光与形态学观察发现，治疗后的肿瘤细胞内恶性缺氧诱导因子（HIF-1α）的表达被抑制，同时伴随着特征性的钙网蛋白外翻与HMGB1大面积释放，引发了强烈的免疫原性细胞死亡（ICD）。高倍镜下清晰捕捉到肿瘤细胞膨胀、气泡化并最终破裂的典型焦亡特征。蛋白质印迹结果从分子层面给出了直接证据：治疗后剪切型Caspase-1以及细胞焦亡核心执行蛋白GSDMD-N的表达上调，伴随LDH与促炎因子的级联漏出，证实了由AIE光敏剂、游离锌离子及细菌自身病原模式协同触发的依赖于Caspase/GSDMD通道的肿瘤细胞炎症性焦亡瀑布反应。

图5. IL-2@Z/C/A抑制缺氧、诱导ICD及执行细胞焦亡的机制。

为进一步验证IL-2@Z/C/A在复杂体内环境中的抗癌潜力，研究团队在小鼠恶性黑色素瘤模型中开展了深入的体内评价。实验结果显示，IL-2@Z/C/A在小鼠体内展现出了良好的“隐身”与定殖能力。在静脉注射后，IL-2@Z/C/A能够精准规避免疫系统的快速清除，并利用其天然的肿瘤趋化性，高效聚集于肿瘤组织的缺氧坏死区，从而实现了治疗药物在肿瘤内部的“定点建厂”。在联合anti-PD-L1免疫检查点阻断疗法的实验组中，IL-2@Z/C/A展现出了优异的协同治疗效能。肿瘤体积监测数据显示，实验组小鼠的肿瘤生长被显著抑制，多只小鼠实现了肿瘤的近乎完全消退，且治疗效果优于所有对照组。这些结果证实了IL-2@Z/C/A通过空间受控的协同策略，不仅能安全、精准地打破实体瘤的免疫堡垒，还为设计高度个性化、智能化的临床抗癌药物提供了实验依据。

图6. IL-2@Z/C/A与αPD-L1联合应用在B16F10黑色素瘤模型中的抗肿瘤效果。

总结/展望

本研究巧妙融合了合成生物学与多功能材料科学，利用智能生物矿化铠甲赋予了工程菌绝佳的在途生理防护与空间可控的精准活化释放能力。该系统通过诱导高免疫原性的细胞焦亡级联，强效释放DAMPs和炎性因子，实现了肿瘤免疫的协同升温；同时借助高效催化产氧彻底瓦解缺氧微环境，配合原位持续分泌的生物活性IL-2，成功逆转了实体瘤的免疫抑制状态。这一多模态级联范式为攻克临床上免疫检查点阻断疗法响应率低、毒副作用大等核心障碍提供了极具前景的全新突破口。

相关论文发表在期刊ACS Nano上，南昌大学博士研究生李萍为文章第一作者，南昌大学黄小林研究员、陈廷涛研究员、丁露副主任技师、香港中文大学（深圳）唐本忠院士为文章共同通讯作者。

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