不只能夠「以毒攻毒」，當細菌從攻癌武器變成交通工具！細菌療法的今生（上）

19 世紀時，柯立醫師發現將細菌注射到病患的體內後，有機會讓病患身上的腫瘤消失，因此研發出柯立毒素，成為「細菌療法」的鼻祖，並啟發了現在最火紅的免疫療法，然而，隨著免疫療法的快速發展，主流學界逐漸忘卻柯立毒素。

詳情請見細菌療法的「前世篇」：

• 太瘋狂了！注射細菌，竟然能夠「以毒攻毒」打敗癌細胞？細菌療法的前世（上）
• 太瘋狂了！注射細菌，竟然能夠「以毒攻毒」打敗癌細胞？細菌療法的前世（下）

但隨著科學家對癌細胞的研究更深入，他們發現癌細胞會產生特殊的「結界」，這種結界會大幅降低目前各種癌症療法的治療效果，甚至連免疫療法都被拒於結界之外，讓科學家頭痛不已…。

腫瘤微環境：癌細胞的防禦結界！

實體固態腫瘤 (Solid tumor) 不是只由癌細胞構成，而是癌細胞和附近的組織、血管、免疫系統及基質細胞等共同組成。這個複雜的實體，還會產生特殊的腫瘤微環境 (Tumor microenvironment, TME)。

這個微環境就像腫瘤的結界，不僅讓我們的治療手段如化療藥物、免疫細胞療法難以進入，即便進入後也難發揮作用，而在結界內的癌細胞，更是趁機獲得許多特異功能，讓我們更難對付。

腫瘤微環境最大的特徵之一，就是缺氧 (Hypoxia)。

缺氧時，癌細胞更容易轉移、更難被殺死

當腫瘤組織的體積只在 1-2 mm³ 時，通常可以靠細胞間的擴散作用來吸收養分並排出代謝廢物，但是因為癌細胞生長非常快速，體積成長極快，當腫瘤組織的體積大於 3 mm³，就會因細胞間擴散作用不足導致缺氧。

缺氧也是腫瘤惡性發展的重要因素，缺氧環境會活化癌細胞內的缺氧誘導因子 (Hypoxia-inducible factors，HIFs)，當缺氧誘導因子被活化後，它會改變癌細胞的代謝，並產生一系列惡性後果¹：

1. 促進癌細胞的生長、侵襲和轉移 (Metastasis)。
2. 降低化療和放射療法的效果。
3. 讓微環境中充斥大量的發炎細胞，進而抑制免疫細胞的活性，讓免疫療法失效。

因此，在治療癌症上究竟該如何對付缺氧的腫瘤微環境？這一直是讓科學家們頭痛至極的大問題。

其他療法做不到的，就讓細菌出手吧！

然而，有趣的是，這個讓人類治療手段失效的缺氧環境，卻恰恰是某些細菌的最愛！！

可能連癌細胞也想不到，自己構築的強大結界，竟然會吸引比自己更兇狠的細菌入侵！當細菌入侵結界後，不僅會殺傷癌細胞，還會讓本來被癌細胞安撫的免疫細胞，發狂進攻，讓癌細胞陷入腹背受敵的窘境。

俗話說：「敵人的敵人，就是朋友！」，因此，藉由細菌能對付腫瘤微環境的特性，科學家們又重啟了「瘋狂」的細菌治療法。

下面讓我們一起看看，現在研究最多的 3 種細菌療法吧！

梭菌：攻其不備，缺氧就是我的愛！

梭菌屬 (Clostridium) 是一類能產生內孢子^註1的專性厭氧菌 (obligate anaerobes)，專性厭氧菌僅能進行「無氧呼吸」，且無法在正常大氣（氧含量21%）的環境下存活。

看到這兒，大家應該就能理解為何梭菌為何有對抗腫瘤的潛力了吧！腫瘤微環境對牠而言簡直是天堂啊！缺氧、充滿養分、又沒有免疫細胞的攻擊，完美！

不過要將梭菌直接注射到人體，恐怕有不少疑慮。畢竟梭菌家族中，有不少會產生致命毒素的細菌，例如引起破傷風的破傷風梭菌 (Clostridium tetani)、會產生肉毒桿菌素的肉毒桿菌 (Clostridium botulinum)，若把這類細菌注射到體內，恐怕癌細胞還沒死，人就先被毒死了！

因此，在百般考量之下，科學家們相中了諾維氏梭菌 (Clostridium novyi, C.novyi)。

諾維氏梭菌產生毒素的基因很容易去除，當它的毒素基因被科學家去除後，我們稱呼這種沒有毒素的維氏梭菌為諾維氏梭菌-NT (Clostridium novyi-NT , C.novyi-NT)。

▌動物實驗結果

在動物實驗中，科學家首先將諾維氏梭菌-NT 注射進入老鼠體內，雖然老鼠體內的腫瘤大量壞死，但可惜的是，老鼠也因敗血症^註2死亡。

隨後，研究人員改為注射諾維氏梭菌-NT 的「內孢子」到老鼠體內，結果發現，諾維氏梭菌-NT 的孢子只會在缺氧的腫瘤組織中萌發，血液中的孢子則很快就被免疫系統清除，而且不會引發敗血症。

更重要的是，在腫瘤組織中生長的諾維氏梭菌-NT，很快就讓腫瘤壞死！

隨著腫瘤的逐漸壞死，缺氧環境也消失，這些諾維氏梭菌-NT 也因為沒有了缺氧環境而不再生長，最終隨著腫瘤細胞一起消滅。

該研究也發現，若合併使用諾維氏梭菌-NT 的內孢子和化療藥物，不僅能降低化療藥物的使用濃度，腫瘤的消退也更快²。

後續的研究也發現，諾維氏梭菌-NT 不僅可以殺死腫瘤細胞（不過原因至今尚不明朗），同時也可以吸引免疫細胞來攻擊腫瘤。

▌臨床試驗結果

在最新的臨床試驗中，科學家將諾維氏梭菌-NT 的內孢子注射到 24 位實體固態腫瘤的病患體內。

其中有 23% 患者的腫瘤體積縮小超過 10%。

另外，研究人員也發現，注射諾維氏梭菌-NT 的內孢子後，病患體內能活化免疫細胞的細胞激素量有上升，同時也增加淋巴細胞到腫瘤組織的數量。這些結果都顯示，諾維氏梭菌-NT 確實能活化免疫系統，並讓免疫細胞攻擊腫瘤³。

該研究團隊目前也在申請將諾維氏梭菌-NT 和免疫檢查點抑制劑一同使用的臨床試驗，希望能達到更好的治療效果。

▌難以忽視的缺點

雖然諾維氏梭菌-NT 的初步臨床結果讓人期待，但牠有一個很大的問題，那就是牠「專性厭氧」的特性！

雖然這個特性讓牠能專一的在缺氧的實體腫瘤中生長，但一旦腫瘤的缺氧環境被破壞，牠的效力將無法延續。因此科學家們把眼光放到有不同氧氣特性的細菌上！

沙門氏菌：有氧、無氧都可以！

和梭菌屬的專性厭氧不同，沙門氏菌屬 (Salmonella) 是兼性厭氧菌 (Facultative anaerobes)，牠在氧氣充足時，可以進行有氧呼吸，在氧氣不足的情況下，也能進行無氧呼吸。牠的這項特點被科學家看上，作為另一細菌療法的候選。

不過既然沙門氏菌也能在有氧環境下生存，這就表示牠不會只在缺氧的腫瘤組織中生長，也有可能在人體其他器官中生長，因此必須「改造」牠，讓牠不會傷及正常組織與器官。

▌改造牠：讓牠更無毒、更愛腫瘤一點

首先，由於沙門氏菌外膜的重要成分中包含了脂多醣 (Lipopolysaccharide，LPS)^註3 ，而脂多醣具有內毒性^註4，很有可能引起人類過度的免疫反應，產生發炎症狀，嚴重甚至可能引發敗血症或死亡，因此科學家們的第一步，就是先去除沙門氏菌合成脂多醣³的基因，藉此降低沙門氏菌的內毒性⁴。

接下來，因有文獻指出腫瘤組織內會產生大量嘌呤 (purine)^註5，因此，科學家去除沙門氏菌用來生產嘌呤^註6的基因，並將將改造後的沙門氏菌屬和腫瘤細胞一起培養後，此時，因為沙門氏菌屬極度缺乏嘌呤，一起培養後，牠就會因此產生對腫瘤組織的依賴性。

最後，科學家們成功篩選出一隻對腫瘤組織有高度依賴性的沙門氏菌-VNP20009⁴。

▌動物實驗結果

沙門氏菌-VNP20009 在動物實驗上有不錯的成果。

注射沙門氏菌-VNP20009 到小鼠體內後，牠會在腫瘤組織內大量生長，免疫細胞也會被牠活化而攻擊腫瘤，讓腫瘤組織快速壞死與消退⁵。

▌臨床試驗結果

但沙門氏菌-VNP20009 在臨床試驗上卻不甚理想。

首先不知道是不是減毒力道太猛，沙門氏菌-VNP20009 在注射到病患體內後，很難引起免疫反應，而且牠也「沒有」展現對腫瘤組織的依賴性，注射牠到 24 位病患體內之後，只有 3 個病患的腫瘤組織內有觀察到沙門氏菌-VNP20009 的生長，所有注射沙門氏菌-VNP20009的病患，腫瘤組織都沒有消退⁶。

不過慶幸的是，沙門氏菌-VNP20009 並沒有在人體的其他組織中生長，並未出現對人體健康造成負面影響的跡象。

▌沙門氏菌-A1-R

雖然沙門氏菌-VNP20009 在臨床上沒有理想的結果，但這是第一支用於治療癌症的沙門氏菌，科學家們認為這至少是個開始，因此後續他們又用類似的方法，篩選出另一支有潛力的沙門氏菌-A1-R。

A1-R 在動物實驗上，有著比 VNP20009 更好的腫瘤組織依賴性，而且能對應更多種類的腫瘤組織，同時 A1-R 活化免疫細胞的能力也不錯，A1-R 合併化療和標靶藥物的結果，也比 VNP20009 更好⁷！

但 A1-R 至今仍沒有進行臨床試驗，不確定在臨床上是否能比 VNP20009 表現更好。

如果只把細菌當作一種「交通工具」？

雖然沙門氏菌屬在臨床上沒有展現治療效果，但沙門氏菌屬提供科學家們一個新的思路：

如果細菌對腫瘤組織有專一性，那就把細菌當成治療手段的「載體」吧！

就像是把細菌當作通往腫瘤組織的直達車一樣，目前有團隊將抗癌物質的基因，放入沙門氏菌屬中，當沙門氏菌屬專一的到腫瘤組織中，就能分泌抗癌物質到組織中。

如此一來，不僅可以提高抗癌物質的效力，也能減少該物質對生物體的傷害⁸，而下一篇文章所介紹的第三種研究上常見的細菌療法「李斯特菌」，某種程度上就是受到載體想法的啟發……

接著閱讀：不只能夠「以毒攻毒」，當細菌從攻癌武器變成交通工具！細菌療法的今生（下）

註釋

1. 內孢子：某些細菌特有的一種構造，是對惡劣環境具有高度抗性的特殊休眠體。內孢子對抗生素、熱、酸鹼、輻射等具有強耐受性，待環境變成適合生存時，內孢子會打破睡眠狀態甦醒發芽繁殖。
2. 敗血症：由於感染所引起的全身性發炎的嚴重疾病。常見的臨床症狀包括發燒、呼吸頻率和心跳加速，以及意識不清。
3. 脂多醣 (Lipopolysaccharide，LPS) ：是油脂和多醣由共價鍵相連組成的大型分子。LPS 是革蘭氏陰性細菌外膜的主要組成部分，提供並保持細菌結構的完整性，保護細菌的細胞膜抵抗某些化學物質的攻擊。LPS 也是內毒素，LPS 在人體內，會結合到細胞膜上的脂多醣受體複合體上，促進細胞發炎，並讓發炎細胞分泌多種細胞因子，產生強烈的免疫反應。
4. 內毒素：存在於細菌內的天然化合物，具有潛在的毒性。內毒素不同於外毒素，活的細菌是不會分泌可溶性的內毒素的。內毒素是細菌的結構成分，當細菌被溶解時而被細菌釋放出來。
5. 嘌呤：新陳代謝過程中的一種代謝物，它是核酸中最重要的組成部分。
6. 癌細胞因生長快速，在細胞複製時需要大量的核酸，這表示也需要大量的嘌呤，因此腫瘤組織內部的嘌呤量，比人體其他組織都高很多。

參考資料

1. Jin, MZ., Jin, WL. The updated landscape of tumor microenvironment and drug repurposing. Sig Transduct Target Ther 5, 166 (2020)
2. Long H. Dang, Chetan Bettegowda, David L. Huso, Kenneth W. Kinzler, and Bert Vogelstein. Combination bacteriolytic therapy for the treatment of experimental tumors. Proc Natl Acad Sci U S A December 18, 2001 98 (26) 15155-15160
3. Bacterial therapy tolerable, shows early promise in patients with advanced solid tumors
4. C. Clairmont et al. Biodistribution and Genetic Stability of the Novel Antitumor Agent VNP20009, a Genetically Modified Strain of Salmonella typhimuvium. The Journal of Infectious Diseases, Volume 181, Issue 6, June 2000, Pages 1996–2002
5. Luo X, Li Z, Lin S, Le T, Ittensohn M, Bermudes D, Runyab JD, Shen SY, Chen J, King IC, Zheng LM. Antitumor effect of VNP20009, an attenuated Salmonella, in murine tumor models. Oncol Res. 2001;12(11-12):501-8
6. Toso JF, Gill VJ, Hwu P, et al. Phase I study of the intravenous administration of attenuated Salmonella typhimurium to patients with metastatic melanoma. J Clin Oncol. 2002;20(1):142-152.
7. Aghi M, Hochberg F, Breakefield XO. Prodrug activation enzymes in cancer gene therapy. J Gene Med. 2000 May-Jun;2(3):148-64
8. Quispe-Tintaya W, Chandra D, Jahangir A, Harris M, Casadevall A, Dadachova E, Gravekamp C. Nontoxic radioactive Listeria(at) is a highly effective therapy against metastatic pancreatic cancer. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 May 21;110(21):8668-73
9. Audrito, V., Managò, A., Gaudino, F., Sorci, L., Messana, V. G., Raffaelli, N., & Deaglio, S. (2019). NAD-biosynthetic and consuming enzymes as central players of metabolic regulation of innate and adaptive immune responses in cancer. Frontiers in immunology, 10, 1720.
10. Dang, L. H., Bettegowda, C., Huso, D. L., Kinzler, K. W., & Vogelstein, B. (2001). Combination bacteriolytic therapy for the treatment of experimental tumors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 98(26), 15155-15160.
11. Zhao, M., Yang, M., Ma, H., Li, X., Tan, X., Li, S., … & Hoffman, R. M. (2006). Targeted therapy with a Salmonella typhimurium leucine-arginine auxotroph cures orthotopic human breast tumors in nude mice. Cancer research, 66(15), 7647-7652.

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