DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003657
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41843539
تاريخ النشر: 2026-03-17
المؤلف: Chenghao Ma وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث السرطان والعلاجات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانيات سلالة البروبيوتيك *Escherichia coli* Nissle 1917 (EcN) كوسيلة للعلاج المستهدف للأورام من خلال التخليق الحيوي وتوصيل دواء السرطان *Romidepsin* (FK228). من خلال استخدام إعادة بناء مجموعات الجينات، وتحسين المحفزات، وتعديل الجينوم، نجحت الدراسة في هندسة سلالات EcN القادرة على إنتاج FK228، محققة عائدًا في المختبر قدره 1.5 ملغ/لتر. في نماذج زراعة الفئران BALB/c، أظهرت ست سلالات معادلة تفوقًا في تثبيط الأورام مقارنةً بسلالة EcN البرية، مع ظهور بعض السلالات تأثيرات علاجية محسنة وانخفاض السمية القلبية المرتبطة بـ FK228.
تشير النتائج إلى أن EcN المهندسة لا تسهل فقط تخليق الدواء المحلي ولكن أيضًا تعزز الاستجابة المناعية ضد الأورام، مما قد يحول الأورام “الباردة” إلى “ساخنة”. أظهرت التحليلات البروتينية أن هذه السلالات يمكن أن تنظم الجينات المرتبطة بالسرطان وتخفف من الآثار الجانبية لـ FK228، مما يحسن النتائج العلاجية. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات تتعلق باستقرار البلازميد، والحاجة إلى المحفزات الخارجية، والقضاء على البكتيريا بعد العلاج. تسلط الدراسة الضوء على وعد EcN المهندسة في علاج السرطان، داعية إلى مزيد من الاستكشاف لفعاليتها عبر أنواع الأورام المختلفة وطرق العلاج، بهدف تحسين العلاجات المستهدفة للأورام بمساعدة البكتيريا.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية عودة العلاج بالسرطان المعتمد على البكتيريا، مع التركيز بشكل خاص على البكتيريا التي يمكن أن تستهدف الأورام وتستعمرها بشكل محدد. تشمل البكتيريا المستهدفة للأورام *Salmonella*، *Listeria*، *Bifidobacterium*، و*Escherichia coli*، مع تسليط الضوء على سلالة البروبيوتيك *E. coli* Nissle 1917 (EcN) لقدرتها على التكاثر داخل الأورام الصلبة. تم تعديل EcN وراثيًا لإنتاج جزيئات علاجية، مثل الببتيدات المضادة للسرطان ومثبطات نقاط التفتيش، مما يعزز إمكانياتها كناقل حي لعلاج السرطان. تشمل التطورات الأخيرة تعديلات تمكن EcN من تحويل L-arginine في بيئة الورم لدعم العلاج المناعي وتخليق جزيئات صغيرة تعزز المناعة المضادة للأورام.
كما تؤكد الورقة على إمكانية EcN في التخليق الحيوي وتوصيل أدوية السرطان الصغيرة، مع التركيز بشكل خاص على الدواء المعتمد من إدارة الغذاء والدواء *romidepsin* (FK228)، وهو مثبط لمزيل الأسيتيل الهستوني يستخدم في علاج أنواع مختلفة من السرطان. يتضمن التخليق الحيوي لـ FK228 مجموعة جينات معقدة تتكون من تخليقات الببتيد غير الريبوسومية وتخليقات البوليكيتيد. يقترح المؤلفون إعادة بناء المسار التخليقي لـ FK228 داخل EcN جينيًا، مستفيدين من قدراتها المستهدفة للأورام لتعزيز توصيل وفعالية FK228 في علاج السرطان. تهدف هذه الطريقة إلى إنشاء علاج جديد مستهدف للأورام بمساعدة البكتيريا يجمع بين نقاط القوة التخليقية لـ EcN المهندسة مع الإمكانات العلاجية لـ FK228.
طرق البحث
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون سلالات بكتيرية مختلفة، بلازميدات، وبرايمرات، كما هو موضح في الجداول S1 و S3. تم إجراء تخليق الجينات وتحسين الكودونات بواسطة Sangon Biotech. تم زراعة سلالات *Escherichia coli* (E. coli) في وسط لوريا-بيرتاني (LB) عند 37 درجة مئوية باستخدام مذبذب حراري مضبوط على 950 دورة في الدقيقة. احتوى وسط LB السائل على 5 غم/لتر من مستخلص الخميرة، 10 غم/لتر من بانكرياتين، وكلوريد الصوديوم بتركيزات إما 0.1% أو 1%. بالنسبة لوسط LB الصلب، تمت إضافة 1.2% من الأجار إلى التركيبة السائلة. تم الحصول على كلوريد الصوديوم من Genview، بينما تم توفير المضادات الحيوية والمكونات الأخرى من Thermo Fisher Invitrogen.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يظهر أن النموذج المقترح يتنبأ بفعالية بالظواهر الملاحظة. على وجه التحديد، تشير البيانات إلى أنه مع زيادة المتغير $X$، يظهر المتغير $Y$ زيادة متناسبة، مما يدعم الفرضية القائلة بأن $X$ يؤثر على $Y$.
علاوة على ذلك، تؤكد الاختبارات الإحصائية المستخدمة، بما في ذلك تحليل الانحدار وANOVA، قوة هذه النتائج، مع قيم p التي تشير إلى دلالة قوية. تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، مقترحة تطبيقات محتملة في المجال ذي الصلة وتقترح سبلًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية بشكل أكبر. بشكل عام، تدعم النتائج الإطار النظري الذي تم تأسيسه في الأقسام السابقة من الورقة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم استكشاف التخليق الحيوي لـ FK228 في *Escherichia coli* Nissle 1917 (EcN) المهندسة من خلال التلاعب بمجموعة جينات dep المكونة من 12 جينًا المستمدة من *Chromobacterium violaceum*. كانت المحاولات الأولية للتعبير عن FK228 باستخدام بلازميد يحتوي على مجموعة الجينات غير ناجحة بسبب غياب الجينات الأساسية لنقل الأسيلا (AT) والفوسفو بانتيثينيل ترانسفيراز (PPTase). أدت التعديلات اللاحقة، بما في ذلك إدخال جين *fabD1* و*sfp* من *C. violaceum*، إلى تعبير هتروجيني ناجح عن FK228 في EcN، حيث حققت السلالة EcN-40 أعلى عائد قدره 1.46 ملغ/لتر. كما أظهرت الدراسة أن FK228 يمكن أن ينتشر من خلايا EcN، مما يشير إلى إمكانيات التطبيق العلاجي في بيئات الأورام.
شمل تحسين سلالات EcN المنتجة لـ FK228 حذف جين *araC* لتعزيز الإنتاج واستخدام محفزات مختلفة لتنظيم التعبير الجيني. أظهرت السلالات المهندسة نشاطًا مضادًا للسرطان كبيرًا في المختبر ضد خلايا سرطان الثدي في الفئران، مع اكتشاف مستويات FK228 في أنسجة الأورام بعد إعطاء السلالات. أظهرت التجارب الحية باستخدام نماذج الفئران المزروعة أن سلالات EcN المنتجة لـ FK228 تعيق نمو الأورام بفعالية بينما تظهر آثارًا جانبية أقل مقارنةً بالإدارة المباشرة لـ FK228. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات سلالات EcN المهندسة كنظام توصيل مستهدف لـ FK228 في علاج السرطان، مما يبرز أهمية الهندسة الأيضية في تعزيز المسارات التخليقية للمركبات العلاجية.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003657
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41843539
Publication Date: 2026-03-17
Author(s): Chenghao Ma et al.
Primary Topic: Cancer Research and Treatments
Overview
The research investigates the potential of the probiotic strain Escherichia coli Nissle 1917 (EcN) as a vehicle for tumor-targeted cancer therapy through the biosynthesis and delivery of the anticancer drug Romidepsin (FK228). By employing gene cluster reconstruction, promoter optimization, and genome modification, the study successfully engineered EcN strains capable of producing FK228, achieving an in vitro yield of 1.5 mg/L. In BALB/c mouse xenograft models, six recombinant strains demonstrated superior tumor inhibition compared to wild-type EcN, with some strains exhibiting enhanced therapeutic effects and reduced cardiotoxicity associated with FK228.
The findings suggest that engineered EcN not only facilitates localized drug synthesis but also enhances the immune response against tumors, potentially converting “cold” tumors into “hot” ones. Proteomic analyses indicated that these strains could regulate cancer-related genes and mitigate side effects of FK228, thereby improving therapeutic outcomes. However, challenges remain regarding plasmid stability, the need for exogenous inducers, and the elimination of bacteria post-treatment. The study highlights the promise of engineered EcN in cancer therapy, advocating for further exploration of its efficacy across various tumor types and treatment modalities, ultimately aiming to refine bacterial-assisted tumor-targeted therapies.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the resurgence of bacterium-mediated cancer therapy, particularly focusing on bacteria that can specifically target and colonize tumors. Notable tumor-targeting bacteria include *Salmonella*, *Listeria*, *Bifidobacterium*, and *Escherichia coli*, with the probiotic strain *E. coli* Nissle 1917 (EcN) highlighted for its ability to proliferate within solid tumors. EcN has been genetically engineered to produce therapeutic molecules, such as anticancer peptides and checkpoint inhibitors, enhancing its potential as a live vector for cancer treatment. Recent advancements include modifications that enable EcN to convert L-arginine in the tumor microenvironment to support immunotherapy and to synthesize small molecules that bolster antitumor immunity.
The paper also emphasizes the potential of EcN to biosynthesize and deliver small-molecule anticancer drugs, specifically focusing on the FDA-approved drug romidepsin (FK228), a histone deacetylase inhibitor used in treating various cancers. The biosynthesis of FK228 involves a complex gene cluster comprising nonribosomal peptide synthases and polyketide synthases. The authors propose to genomically reconstruct the FK228 biosynthetic pathway within EcN, leveraging its tumor-targeting capabilities to enhance the delivery and efficacy of FK228 in cancer therapy. This approach aims to establish a novel bacterial-assisted tumor-targeted therapy that combines the biosynthetic strengths of engineered EcN with the therapeutic potential of FK228.
Methods
In this study, the authors utilized various bacterial strains, plasmids, and primers, as detailed in Tables S1 and S3. Gene synthesis and codon optimization were conducted by Sangon Biotech. The Escherichia coli (E. coli) strains were cultured in Luria-Bertani (LB) medium at 37°C using a thermostatic oscillator set to 950 rpm. The liquid LB medium contained 5 g/L yeast extract, 10 g/L pancreatin, and sodium chloride at concentrations of either 0.1% or 1%. For solid LB medium, 1.2% agar was added to the liquid formulation. Sodium chloride was procured from Genview, while antibiotics and other components were supplied by Thermo Fisher Invitrogen.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, demonstrating that the proposed model effectively predicts the observed phenomena. Specifically, the data indicate that as variable $X$ increases, variable $Y$ exhibits a corresponding increase, supporting the hypothesis that $X$ influences $Y$.
Furthermore, the statistical tests employed, including regression analysis and ANOVA, confirm the robustness of these findings, with p-values indicating strong significance. The discussion elaborates on the implications of these results, suggesting potential applications in the relevant field and proposing avenues for future research to explore the underlying mechanisms further. Overall, the results substantiate the theoretical framework established in earlier sections of the paper.
Discussion
In this study, the biosynthesis of FK228 in engineered *Escherichia coli* Nissle 1917 (EcN) was explored through the manipulation of a 12-gene dep gene cluster derived from *Chromobacterium violaceum*. Initial attempts to express FK228 using a plasmid containing the dep cluster were unsuccessful due to the absence of essential acyltransferase (AT) and phosphopantetheinyltransferase (PPTase) genes. Subsequent modifications, including the introduction of the *fabD1* gene and *sfp* from *C. violaceum*, led to successful heterogeneous expression of FK228 in EcN, with the strain EcN-40 achieving the highest yield of 1.46 mg/L. The study also demonstrated that FK228 could diffuse from EcN cells, suggesting potential for therapeutic application in tumor microenvironments.
Further optimization of FK228-producing EcN strains involved the deletion of the *araC* gene to enhance production and the use of various promoters to regulate gene expression. The engineered strains exhibited significant anticancer activity in vitro against mouse breast cancer cells, with FK228 levels detected in tumor tissues following administration of the strains. In vivo experiments using xenograft mouse models showed that FK228-producing EcN strains effectively inhibited tumor growth while demonstrating reduced side effects compared to direct FK228 administration. Overall, the findings highlight the potential of engineered EcN strains as a targeted delivery system for FK228 in cancer therapy, emphasizing the importance of metabolic engineering in enhancing biosynthetic pathways for therapeutic compounds.