这篇文档属于类型a，是一篇关于利用超声波控制工程菌进行癌症免疫治疗的原创研究论文。以下是详细的学术报告：
作者及机构
本研究由Mohamad H. Abedi、Michael S. Yao（共同第一作者）、David R. Mittelstein等来自加州理工学院（California Institute of Technology）多个学部的研究团队完成，通讯作者为Mikhail G. Shapiro。研究发表于《Nature Communications》期刊，2022年3月，DOI: 10.1038/s41467-022-29065-2。
研究领域与动机
该研究属于合成生物学与肿瘤免疫治疗的交叉领域。近年来，工程微生物（engineered microbes）作为治疗人类疾病（包括癌症）的新型手段发展迅速。实体瘤的免疫抑制微环境为系统性给药的细菌提供了定植和释放治疗性载荷的有利条件，但细菌在健康组织中的少量定植可能导致脱靶毒性。为解决这一问题，研究团队提出通过聚焦超声（focused ultrasound, FUS）非侵入性地激活工程菌的治疗功能，实现时空特异性控制。
科学基础
1. 细菌的肿瘤靶向性：某些细菌（如大肠杆菌Nissle 1917, EcN）能选择性定植于肿瘤缺氧核心。
2. 温度敏感基因开关：此前研究发现，温度依赖性转录抑制蛋白（如TcI42）可响应短暂升温调控基因表达。
3. 免疫检查点抑制剂：αCTLA-4和αPD-L1纳米抗体可解除肿瘤对T细胞的免疫抑制，但系统性给药易引发自身免疫副作用。
研究目标
开发一种FUS控制的工程菌系统，通过温度敏感基因开关实现肿瘤局部、持久的免疫治疗激活，避免健康组织损伤。
研究对象：工程化EcN菌株，携带由TcI42（温度敏感抑制蛋白）调控的基因电路。
实验方法：
- 电路设计：将Bxb1丝氨酸整合酶（serine integrase）置于TcI42控制的启动子（pL/pR）下游，通过DNA位点（attP/attB）翻转实现永久性基因激活（图2a）。
- 高通量筛选：随机化核糖体结合位点（RBS）、起始密码子和ssRA降解标签（degradation tag），从约10^7种变体中筛选低泄漏、高诱导的候选株（图2b-d）。
- 理性优化：通过调整质粒拷贝数（p15A origin）和插入温度敏感终止子（thermosensitive terminator），进一步降低基线活性（图2e-f）。
关键结果：
- 最佳变体（候选#5）在42°C诱导后激活率>30%，基线泄漏<0.3%，温差诱导倍数超过100倍（图2d, f）。
电路改造：
- 将αCTLA-4和αPD-L1纳米抗体基因插入开关下游，添加PelB分泌标签（secretion tag）和Axe-Txe毒素-抗毒素系统（plasmid stabilization module）以增强分泌和质粒稳定性（图3a）。
- 验证实验：Western blot证实仅在42–43°C加热后检测到纳米抗体分泌（图3c）。
动物模型：Balb/c小鼠皮下植入A20淋巴瘤细胞（5×10^6细胞/只），肿瘤体积达100 mm³后静脉注射工程菌（1:1混合αCTLA-4和αPD-L1菌株，10^8 CFU/只）。
FUS参数：
- 43°C脉冲加热（5分钟开/5分钟关，共1小时），使用闭环温控系统（图4a）。
- 组织分析：治疗后14天检测肿瘤、肝脏和脾脏中细菌的激活比例。
结果：
- FUS激活组肿瘤生长显著抑制（p<0.0001），效果与系统性抗体注射或预激活细菌相当（图4c）。
- 激活仅发生在肿瘤内（肿瘤vs肝脏/脾脏：p=0.0143），健康组织中几乎无活性（图4e）。
科学意义：
1. 新型控制工具：首次将FUS与合成基因电路结合，实现深部组织内微生物治疗的时空精准调控。
2. 长效开关机制：整合酶介导的DNA翻转使单次加热即可维持数周治疗输出，克服了传统诱导系统的瞬时性缺陷。
应用潜力：
- 临床转化：适用于手术难切除的实体瘤（如胰腺癌、脑瘤），或通过“远隔效应”抑制转移灶。
- 扩展性：该平台可适配其他治疗分子（如细胞因子）或细菌种类，用于代谢疾病、感染等场景。
局限性：
- 部分肿瘤因细菌分布与超声焦点未重合导致激活失败（9例中3例），未来需结合MRI引导改进靶向加热。
研究开发的Matlab温控代码已开源（GitHub），为后续研究提供工具支持。此外，该技术可拓展至肠道菌群调控或活体材料构建等新兴领域。