本文档是一篇由Shaobo Yang, Mengdi Yang, Maria Jennings, Hania Timek, Amber E. Haley, Rizwan Romee, Jiahe Li等人撰写的综述文章。作者单位包括美国Dana-Farber癌症研究所、东北大学和密歇根大学。该文发表于《Advanced Drug Delivery Reviews》期刊，预计于2025年12月正式出版。
综述主题：重新利用细菌表面展示技术用于药物递送
本文旨在全面回顾和探讨将细菌表面展示技术重新用于药物递送领域的最新进展、机制、应用及未来方向。文章系统地阐述了细菌作为治疗平台的演变过程，重点分析了表面展示技术相较于传统细菌分泌或裂解递送方法的优势，详细介绍了革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌中表面展示的关键生物学机制，并展望了结合计算生物学工具的未来发展路线图。
主要观点阐述
1. 细菌作为治疗平台的独特优势与工程化演进 文章开篇指出，细菌因其固有的适应性、遗传可操作性以及与人类微生物组和免疫系统相互作用的能力，已成为多功能治疗平台。人类与微生物的关系错综复杂，微生物组在健康与疾病中扮演关键角色。工程化改造细菌用于治疗干预的理念始于20世纪70年代质粒的发现，使得重组蛋白（如胰岛素）的生产成为可能。此后，该领域迅速发展，特别是在癌症治疗和肠道微生物组工程方面取得了显著进展。例如，利用大肠杆菌Nissle 1917 (EcN)等益生菌菌株，通过合成生物学工具设计基因回路，使其能够在肿瘤微环境等特定生理条件下响应并释放治疗分子（如细胞因子STING激动剂），或通过自裂解释放免疫调节分子，已在临床前模型中显示出抗肿瘤效果。这些进展凸显了细菌作为“活体治疗剂”的潜力，能够实现传统疗法难以达到的靶向性和程序化干预。
2. 细菌表面展示技术：一种优于传统递送策略的精准递送模式 文章的核心论点是，细菌表面展示技术为药物递提供了一种更具优势的策略。传统的细菌疗法主要依赖于分泌或自我裂解来释放治疗剂。然而，分泌的可溶性蛋白容易从靶点部位快速扩散和清除，导致局部浓度降低、疗效受限并可能增加全身毒性。相比之下，细菌表面展示技术将治疗性蛋白质或肽段直接锚定在细菌细胞表面。这种策略带来了多重优势：增强定位：表面展示的分子随细菌一起定植于靶组织（如肿瘤），提高了局部滞留性。延长治疗活性：锚定在表面的分子不易被快速清除，能够与靶细胞进行更持久的相互作用。降低系统毒性：治疗作用主要局限于细菌定植的部位，减少了对健康组织的脱靶效应。多功能性：可以展示多种治疗分子，如细胞因子、纳米抗体、酶或抗原。文章进一步指出，将表面展示与分泌系统、接合系统或程序性裂解相结合的组合策略，能够进一步扩展细菌治疗剂的功能性和精确性。
3. 革兰氏阴性菌表面展示的生物学机制与应用实例 革兰氏阴性菌具有复杂的细胞包膜结构（内膜、周质空间、外膜），其表面展示依赖于将异源蛋白定位到外膜。关键机制包括： * 外膜蛋白（OMP）融合：将目标蛋白融合到天然外膜蛋白（如OmpA）上，利用Sec或Tat途径将融合蛋白转运至周质，再通过β-桶组装机器（Bam复合物）整合到外膜中。 * 自转运蛋白（Type Va分泌系统）：利用其C端的β-桶结构域将自己插入外膜，并将N端的“乘客”结构域转运至细胞表面。 * 脂蛋白锚定：通过脂质修饰的信号肽将蛋白共价锚定在外膜的内叶或外叶。 * 菌毛和纤毛系统：利用伴侣蛋白-Usher途径将亚基组装成表面结构。
文章列举了大量应用实例。例如，使用Lpp-OmpA锚定系统在大肠杆菌表面展示突变型IL-18，显著增强了抗肿瘤免疫。利用相同系统展示Colibactin中和蛋白（ClbS），可在肠道环境中直接中和致病菌的基因毒性，预防结直肠癌。此外，纳米抗体（Nbs）因其体积小、穿透力强、免疫原性低等特点，成为表面展示的理想候选。工程化细菌展示靶向癌胚抗原（如钙网蛋白，Calreticulin）的纳米抗体，可增强肿瘤靶向性。表面展示的纳米抗体还能作为细胞间粘附分子，用于编程细菌间的特异性聚集，或通过靶向天然细菌表面蛋白（如OmpA）来促进接合作用，从而将治疗性基因递送至原生微生物群。
4. 革兰氏阳性菌表面展示的生物学机制与应用实例 革兰氏阳性菌具有单层细胞膜和厚厚的肽聚糖层，其表面展示机制与革兰氏阴性菌不同，主要包括： * Sortase酶介导的锚定：将目标蛋白融合到一个含有LPXTG基序的细胞壁锚定蛋白上。Sortase酶识别并切割该基序，将蛋白共价连接到肽聚糖上。 * 芽孢表面展示：某些革兰氏阳性菌（如枯草芽孢杆菌）能形成芽孢。通过将目标蛋白融合到芽孢外壳蛋白（如CotB, CotC）上，可以实现蛋白在芽孢表面的稳定展示。芽孢对极端环境（pH、温度）具有极强的抗性，非常适合用于口服疫苗等应用。
文章以枯草芽孢杆菌芽孢展示系统为重点，详细介绍了其结构、重组方法（涉及锚定蛋白、目标蛋白和连接子的优化）和非重组方法（基于静电、疏水相互作用的物理吸附）。该技术已成功应用于动物健康领域，例如展示病原体抗原开发口服疫苗，展示酶类（如植酸酶）以提高饲料营养利用率，以及展示抗菌肽用于疾病预防。
5. 利用计算工具理性设计下一代表面展示平台 文章提出了一个未来的发展方向，即利用生物信息学预测和AlphaFold等人工智能工具来加速发现和优化用于表面展示的外膜蛋白（OMP）支架。传统的OMP发现依赖于试错，效率低下。作者建议建立一个混合筛选流程：首先，从已知的OMP库（如大肠杆菌K12 MG1655的约40种OMP）中根据等电点和亚细胞位置进行分类。然后，利用Pred-TMBB等工具预测其拓扑结构和胞外环。对于缺乏实验结构的OMP，则使用AlphaFold预测其三维结构和胞外环暴露区域。通过分析这些结构信息，可以理性选择最合适的OMP作为锚定蛋白，确保目标蛋白的功能区域能够最优地暴露在细菌表面，避免空间位阻。这种计算辅助的方法能显著减少实验筛选的工作量，加速新一代表面展示平台的设计。
6. 其他细菌递送策略：裂解与微细胞 除了分泌和表面展示，文章还简要概述了其他细菌递送策略： * 裂解递送：工程化细菌在特定信号（如群体感应）触发下自我裂解，释放胞内积累的治疗载荷。例如，工程化EcN菌株通过自裂解回路在肿瘤内同步释放治疗分子。 * 微细胞（Minicell）递送：微细胞是无核、不繁殖的细菌膜囊泡，由细胞分裂异常产生。它们可以装载化疗药物、核酸或蛋白质，并通过表面展示的靶向分子（如抗体）定向递送。微细胞没有染色体DNA，无法复制，安全性更高，已用于靶向化疗和CRISPR-Cas9系统的递送。
7. 挑战、安全考量与未来展望 尽管前景广阔，但细菌治疗剂的临床转化仍面临挑战。包括：监管障碍：涉及基因工程生物体的临床应用审批流程复杂。微生物稳定性：工程菌在复杂体内环境中的定植、持久性和基因稳定性。安全性：需要防止工程菌的意外传播和对天然微生物组的干扰。 为确保安全，未来需要开发稳健的遏制策略，例如基于CRISPR的“自杀开关”或营养缺陷型改造，使工程菌在完成治疗后或在非目标环境中无法存活。此外，还需要进行全面的长期研究，评估其生态影响和潜在副作用。 文章总结认为，细菌表面展示技术是一种强大且尚未被充分探索的靶向药物递送模式，它连接了合成生物学、免疫工程和转化医学。通过持续的多学科创新，工程化细菌有望转化为临床可行的治疗药物，为癌症、传染病等多种复杂疾病提供精准、可编程的下一代治疗方案。
本文的意义与价值 本综述的系统性梳理具有重要的学术价值和指导意义。它不仅为研究人员提供了关于细菌表面展示技术从基础机制到前沿应用的全面知识图谱，还明确指出了该领域当前的技术瓶颈（如锚定蛋白的理性设计）和未来的突破方向（如整合计算生物学）。文章强调的组合策略（表面展示+分泌/接合/裂解）和安全性设计，为开发更高效、更安全的活体细菌疗法提供了清晰的研发思路。因此，这篇综述不仅是领域进展的总结，更是推动细菌治疗剂从实验室走向临床的重要路线图。