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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)

羅夏_96
・2021/03/23 ・3373字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文接續上一篇: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)

在上一篇文章中,科學家透過梭菌屬 (Clostridium) 、沙門氏菌屬 (Salmonella) 研究了細菌治療癌症的效果,其中,雖然沙門氏菌沒有明顯的治療效果,但是卻啟發了科學家將細菌當作「運輸抗癌藥物的載體」的想法。

李斯特菌:偷偷藏到吞噬細胞裡面!

在日常生活中,若我們感染李斯特菌 (Listeria monocytogenes, L. monocytogenes) ,將會出現腸胃道症狀,嚴重者會引發如敗血症、腦膜炎等症狀,是最致命的食源性病原體之一,主要以食物為傳染媒介,其致死率甚至高過沙門氏菌及肉毒桿菌。

李斯特菌。圖/Wikipedia

李斯特菌與沙門氏菌一樣,是兼性厭氧細菌,無論在缺氧、有氧的條件下均能夠生存,因此在細菌療法的考量下,科學家不用擔心當腫瘤失去微環境時,李斯特菌會失去治療的效果。

特別的是,李斯特菌也是兼性胞內寄生菌註1,可在吞噬細胞中生長,也可以在細胞外存活!

李斯特菌被吞噬細胞吞噬後,會分泌 listeriolysin O (LLO) 這個溶胞素註2破壞細胞膜,進而入侵到吞噬細胞的細胞質內,並在吞噬細胞的細胞質內繼續生長。這項讓免疫系統頭痛的特點,卻也成為科學家相中牠的原因。

負責撰寫「死亡筆記本」的吞噬細胞

人體的免疫系統由先天和後天組成,其中兩者的主要差異在於「專一性」。

先天免疫系統沒有專一性,只要辨識到非人體的病原體,就會啟動殺敵系統,當病原體感染人體後,受損的細胞會產生發炎反應。

而先天免疫系統的發炎反應會活化諸多細胞激素,吸引吞噬細胞和自然殺手細胞 (Natural Killer Cell,後稱 NK 細胞) ,前者會將被感染的細胞吞噬消化,後者則分泌毒素直接殺死被感染的細胞。

李斯特菌在吞噬細胞內脫逃示意圖。圖/參考文獻 4

吞噬細胞還有另一個稱呼:抗原呈現細胞 (Antigen Presenting Cell, APC),APC 會把病原體的抗原放在自己的細胞膜上,就像是後天免疫系統的死亡筆記本一樣,藉此來提供訊息給後天免疫系統。

後天免疫系統具備高度專一性,一旦接受到 APC 提供的死亡筆記本,便會開始「量身訂製」殺敵策略。

執行後天免疫系統的主角,主要為兩類淋巴細胞: B 細胞和 T 細胞。B 細胞會分泌專一性的抗體,可與病原體的抗原結合,使其失活;T 細胞則會訓練一批殺手,專門獵殺帶有抗原的病原體或細胞。

後天免疫系統還有「記憶性」,當人體再被同樣的病原體感染後,後天免疫系統會徵招曾經參戰的 B 細胞和 T 細胞,達到更快速的制敵效率,而這個記憶特性,也是疫苗背後的基本原理。

先天與後天免疫系統間的相互配合。圖/參考文獻 5

先天和後天免疫系統並非各自為政,而是相輔相成。其中可看出,APC 是連結兩者的重要橋梁。

癌細胞會分泌抑制免疫細胞的細胞激素,讓 NK 細胞和吞噬細胞無法作用。NK 細胞不作用,就無法毒殺癌細胞;吞噬細胞不作用,腫瘤的抗體資訊就無法傳遞給後天免疫系統,身體就無法針對癌細胞產生專一的殺滅作用。

看到這兒你可能會想,這些和李斯特菌的兼性胞內寄生有什麼關係?關係可大了!

逼迫細菌把腫瘤送入「死亡筆記本」!

正常來說,雖然李斯特菌會引起先天免疫系統的反應,但因李斯特菌可以靠 LLO 逃避吞噬細胞的消化,使得吞噬細胞無法紀錄牠的抗原訊息,也無法將抗原訊息提供給後天免疫系統。

科學家:嘿嘿,那我就改造你!

當李斯特菌跑到吞噬細胞體內後,科學家強迫李斯特菌不斷生產抗原,而且這些抗原還會跑到吞噬細胞表面,讓本來不能呈現抗原的吞噬細胞,瘋狂表現腫瘤抗原,並藉此活化後天免疫系統。

在動物實驗中,即使是沒有被改造完全、不會生產腫瘤抗原的李斯特菌,本來就具有腫瘤組織專一性,也和活化先天免疫系統的能力,確實能讓腫瘤消退9

注射李斯特菌到小鼠體內,能有效抑制黑色素瘤的生長。圖/參考文獻 6

當科學家改造李斯特菌之後,實驗結果顯示,李斯特菌除了保持「腫瘤專一性」和「活化先天免疫系統」的兩個能力,科學家也確實觀察到後天免疫系統被活化了1。也就是說,腫瘤抗原真的成功被李斯特菌帶入吞噬細胞,而且被記上死亡筆記本、送給後天免疫系統了!

動物實驗的結果讓科學家們相當振奮,他們認為,這代表「將李斯特菌當成表達腫瘤抗原的載體,並活化後天免疫系統」的想法,確實可行!

讓人沮喪的臨床試驗結果

雖然動物實驗的結果不錯,但李斯特菌,在臨床試驗的結果可謂差強人意。

在最新的臨床試驗中,科學家對 15 位有侵犯性子宮頸癌的病患,施打了帶有腫瘤抗原的李斯特菌。所有的病患在施打後,都有很強烈免疫反應,但只有 6 位病患的腫瘤有消退(其中一位雖有消退,但腫瘤很快又長回);7 位病患的腫瘤沒有改變;2 位病患因強烈的免疫反應死亡2

從李斯特菌的臨床試驗來看,這種作法確實能活化後天免疫系統,也有消滅腫瘤的效果,但牠的「安全性」卻是非常嚴重的問題。

雖然用於治療的李斯特菌已減毒,但這種減毒李斯特菌的感染,仍會引起人體過度強烈的免疫反應,何況李斯特菌還會逃到吞噬細胞內,讓免疫細胞難以消滅,因此如何平衡毒性和治療性,是科學家們接下來的研究重點。

瘋狂的細菌療法,仍未到此為止

本文所簡介的梭菌、沙門氏菌、李斯特菌,是目前學術上最多人研究的 3 種細菌療法,除了這 3 種細菌療法外,還有更多我們並不清楚也並不瞭解的做法,永遠不要小看科學家們的腦洞,他們將各種奇思妙想融合到細菌療法中,造就許多遠比上面更瘋狂的方法3

透過本文,大家也可以發現細菌療法仍有不少侷限,例如動物實驗和臨床試驗的結果之間的巨大鴻溝、治療性與安全性的平衡等等問題,都是科學家們必須正視的難題。

未來細菌療法究竟該往何處走,又有哪些難解的挑戰需要被克服?下期,也是細菌療法的最終章,將帶大家一起看看細菌療法的挑戰與展望。

註釋

  1. 兼性胞內寄生菌:可以在寄生於細胞內,在細胞外也可以存活。
  2. 溶胞素:一類由微生物、植物或動物分泌,對特定細胞有毒性的物質。溶胞素會因對某一類細胞具有特異性而獲得相應的名稱。例如專門裂解紅血球,並使其釋放出的胞內血紅蛋白的溶胞素,就被命名爲溶血素。

參考資料

  1. Jahangir A, Chandra D, Quispe-Tintaya W, Singh M, Selvanesan BC, Gravekamp C. Immunotherapy with Listeria reduces metastatic breast cancer in young and old mice through different mechanisms. Oncoimmunology. 2017 Jul 5;6(9):e1342025
  2. Maciag PC, Radulovic S, Rothman J. The first clinical use of a live-attenuated Listeria monocytogenes vaccine: a Phase I safety study of Lm-LLO-E7 in patients with advanced carcinoma of the cervix. Vaccine. 2009 Jun 19;27(30):3975-83. doi: 10.1016/j.vaccine.2009.04.041. Epub 2009 May 3
  3. Torres W, Lameda V, Olivar LC, Navarro C, Fuenmayor J, Pérez A, Mindiola A, Rojas M, Martínez MS, Velasco M, Rojas J, Bermudez V. Bacteria in cancer therapy: beyond immunostimulation. J Cancer Metastasis Treat 2018;4:4.
  4. Pizarro-Cerdá, J., Kühbacher, A., & Cossart, P. (2012). Entry of Listeria monocytogenes in mammalian epithelial cells: an updated viewCold Spring Harbor perspectives in medicine2(11), a010009.
  5. Lindahl, G. (2019). The effects of flaxseed and tamoxifen on the inflammatory microenvironment in normal breast tissue and in breast cancer (Vol. 1714). Linköping University Electronic Press.
  6. Vitiello, M., Evangelista, M., Di Lascio, N., Kusmic, C., Massa, A., Orso, F., … & Poliseno, L. (2019). Antitumoral effects of attenuated Listeria monocytogenes in a genetically engineered mouse model of melanomaOncogene38(19), 3756-3762.

細菌療法系列文章

  1. 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)
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善用會吃塑膠的細菌,分解寶特瓶不用再等 450 年

Sherry
・2021/04/16 ・2557字 ・閱讀時間約 5 分鐘

生活中總有那種到商店選購了很多商品,結帳後卻發現自己忘記攜帶環保袋的經驗,這時候銅板價的塑膠袋就是把商品輕鬆帶回家的好選擇。根據統計,每年全世界使用高達 5 億個一次性塑膠袋。

你知道塑膠袋發明是為了重複使用嗎?

瑞典工程師圖林 (Sten Gustaf Thulin) 發明了第一個塑膠袋。因為相較於紙袋,塑膠袋較不容易因為潮濕或拉扯破損,利於重複使用,能減少樹木砍伐,而且相對於紙袋,塑膠袋也較能攜帶重物。透過塑膠袋的發明,圖林希望解決紙袋造成的環境問題。不過統計至今,其中超過半數的塑膠袋並沒有達成「重複使用」這個使用初衷,有許多塑膠袋反而被隨意扔棄在大自然中,造成了另一種的生態壓力。

過去幾年來,塑膠製品嚴重影響環境生態。數年前,一支我們習以為常的吸管卡進海龜鼻子裡,短短 8 分多鐘的 Youtube 影片,驚醒了許多人的環保意識,開始拒用一次性塑膠吸管,行政院環保署也在 108 年 5 月宣布一次性塑膠吸管使用規範。除了限制一次性使用塑膠吸管,部分商店與機構也紛紛推出自備環保餐具即享折扣的優惠,對於不得不使用的一次性塑膠製品,政府也提倡回收再利用。

2018 年,台灣塑膠總回收量為 53 萬公噸,而其中寶特瓶回收量則高達 54 億支,資源回收率號稱全球第三,寶特瓶的回收量更高達 95%,即便是這樣,每年仍有 2-3 億支寶特瓶流入大自然,因此除了推行塑膠減量外,科學家也開始思考如何剪斷塑膠製品的分解週期。

發現會吃塑膠的細菌

塑膠製品那麼多,那就先從民生用品最常見的 PET(苯二甲酸乙酯)說起。

PET 是一種常見的塑膠材料,在衣服、包裝及地毯都可以看到它的蹤跡,其中 PET 最廣為人知的製品就是寶特瓶。PET 價格低、輕便的特性讓他成為常見的塑膠材料,不過卻也因為結構中將兩個單體聚合在一起的酯鍵並不容易被分解,因此有著驚人的抗生物分解能力,分解一支寶特瓶至少需要長達 450 年的時間。

即便數據顯示,目前寶特瓶的回收率並不低,但在台灣每年卻還是有2-3億支寶特瓶沒有成功回收。這些被遺忘的寶特瓶最終被丟棄在人類的生活軌跡,好一點的丟進垃圾掩埋場,運氣不好的則被帶入山林或流進海洋,再次造成野生動物們的傷害。

PET 有著驚人的抗生物分解能力,分解一支寶特瓶至少需要長達 450 年的時間。圖/Pexels

等等!剛才說分解寶特瓶需要 450 年,那就是還有辦法分解啊,所以只要找到這些年是誰在分解寶特瓶,事情不就好喬了?

沒錯!首先想到的就是來自日本的研究團隊,他們將寶特瓶回收場的底泥、濕土、廢水,只要是有接觸到分解寶特瓶殘骸的環境樣本通通帶回實驗室。研究團隊將這些帶回來的樣本培養在 PET 塑膠薄膜上,希望看看是不是有微生物在分解 PET,可以靠著分解 PET 產生能量,維持細胞中的代謝與合成反應。

結果真的有。

2016 年,日本研究團隊發現了一株愛「吃」塑膠的新型細菌,這株細菌可以在大概 6 週的時間內,將 PET 薄膜完全分解。研究團隊將它命名為阪崎腸桿菌 (Ideonella sakaiensis)。

生物產生的催化劑——酵素

找到新細菌然後呢?想知道他可能有什麼神奇的超能力,最快的方法就是送去定序。

研究人員根據定序結果發現細菌帶有一種水解酵素,推測這種酵素可能與阪崎腸桿菌能分解 PET 有關。為了證明這樣的推測,研究人員進行酵素純化,並測試其分解 PET 的能力,發現在攝氏 30 度的環境中,酵素有最佳的反應效率將 PET 分解,決定命名為 PETase。

團隊在找出阪崎腸桿菌分解 PET 的關鍵機制後,成功以化學方法純化 PETase,擺脫微生物實驗中的許多條件限制。不過能在 6 週內分解 PET 塑膠薄膜只能確定酵素有分解的能力,但是真正要面對2-3億支比薄膜更厚實的PET寶特瓶,這樣的實驗成果遠遠不夠,因此科學家們紛紛開始思考如何加快分解 PET 的反應速率。

找到能分解塑膠的酵素,那能再快一點嗎?

2018 年英國樸茨茅斯大學 (University of Portsmouth) 研究團隊根據先前研究分析PETase的結構,發現其胺基酸序列與嗜高溫放線菌 (Thermobifida Fusca) 的水解酵素 TfH 有 52% 的相似度,但是兩者之間對於受質的專一性不同,其中 PETase 的結構相似於催化角質與脂肪酸分解的 α/β 水解酵素,因此研究團隊希望透過改變 PETase 的結構,設計出一種酵素能夠更快速分解 PET。

哈里·奧斯汀 (Harry P. Austin) 研究團隊將 PETase 的結構突變為更類似於此水解酵素,嘗試讓兩個水解酵素中的兩個活性位點,由殘基突變為保守氨基酸,使結合裂變窄,優化 PETase 對於 PET 的分解能力。在實驗中將野生型 PETase 和 PETase 雙突變體 (S238F / W159H) 透過掃描式電子顯微鏡進行比較(如圖 A-C),A 為緩衝溶液(對照組),B 為野生型PETase,C 為PETase 雙突變體 (S238F / W159H) ,在 pH7.2 的磷酸鹽緩衝溶液培養 96 小時後,可以看到對照組的 PET 表面沒有被分解產生的孔洞,而 PETase 雙突變體的孔洞較野生型 PETase 多且明顯,應證了雙突變的 PETase 在相同條件下,能更有效的分解 PET。

PETase 雙突變體 (S238F / W159H) 相較於野生型 PETase 更有效分解 PET。圖/參考資料 6

雖然透過科學家們的努力,在未來有機會利用蛋白質工程,嘗試更多組合,找到讓塑膠分解更快速的方法。不過以根本來說,降低塑膠使用量、在未來審慎考慮各種材料的利用,照顧好地球環境,才是我們的首要目標。

參考資料

  1. Bag with handle of weldable plastic material
  2. How plastic bags were supposed to help the planet – BBC News
  3. 從海龜氣管拔出塑膠吸管
  4. 環保署公告「一次用塑膠吸管限制使用對象及實施方式」
  5. 台灣成就!寶特瓶回收率高達95%、資源回收率全球第3 但真的夠了嗎?
  6. 塑膠垃圾別亂丟,海洋分解得花600年
  7. Yoshida, S., Hiraga, K., Takehana, T., Taniguchi, I., Yamaji, H., Maeda, Y., … & Oda, K. (2016). A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate). Science, 351(6278), 1196-1199.
  8. Austin, H. P., Allen, M. D., Donohoe, B. S., Rorrer, N. A., Kearns, F. L., Silveira, R. L., … & Beckham, G. T. (2018). Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(19), E4350-E4357.

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