現今臨床上已經有許多抗癌的方法，但每個療法皆有其利弊，其中傳統療法像化學及放射療法最為常見，但也是最會引起病患強烈的副作用。後來興起的一種非侵入性的光熱療法（photothermal therapy, PTT），是種高度標靶且低副作用的癌症治療方式，但通常只能鎖定局部原位的腫瘤，非已經轉移的癌細胞。另外，使用免疫檢查點阻斷（immune checkpoint blockade, ICB）的免疫療法，為另一種最具有前景的新興療法，但不幸的是，目前還是有許多癌症病患對於此療法反應有限。
除了上述方式，科學家也發現，利用微生物（如沙門氏菌 Salmonella typhimurium）打擊癌細胞，可視為一種新穎的抗癌手段。然而臨床試驗結果卻顯示，單獨使用沙門氏菌是不足以清除病患體內的腫瘤細胞 [1]。雖然許多癌症病患對單一療法反應不佳，但若採用多種機制的聯合療法，是有機會大大提升病患對於癌症治療的成效。因此，中國蘇州大學的 Zhuang Liu 團隊提出一個新的概念，利用減毒沙門氏菌 ∆ppGpp S. typhimurium ，配合光熱及免疫療法，並在小鼠腫瘤模型中，檢測其抗癌的成效及探討可能的機制。
作者發現將減毒沙門氏菌經老鼠尾部靜脈注射後，只會在腫瘤內增殖，但在正常器官中會隨著時間被免疫系統清除，且不會在老鼠體內引起毒性。此現象可能歸咎於沙門氏菌是兼性厭氧菌，所以能躲藏在低氧和免疫抑制的特殊腫瘤微環境（tumor microenvironment, TME）中增長 [2]。接著，該團隊也發現到，隨著注射的減毒沙門氏菌數量增加，小鼠身上的腫瘤顏色變得更深（圖一 A）。光聲（photoacoustic, PA）影像顯示，細菌數量會與光聲影像訊號有正相關（圖一 B-D）。由於深褐色的腫瘤可吸收近紅外光（near infrared, NIR），經雷射照射下，被細菌感染的腫瘤溫度明顯提升（圖一 E），使那些呈深色的腫瘤被有效地消除（圖一 F）。病理切片及染色證實腫瘤內的細菌會引起發炎反應，使腫瘤內血管被破壞，並形成血栓（圖一 H- J），導致腫瘤組織變深褐色。另外，注射細菌的小鼠血清中，偵測到更高的 TNF-α （圖一 K）及血管擴張發炎因子（圖一 L），證實沙門氏菌會促使發炎外，也伴隨著使腫瘤內血管擴張及血栓形成。
圖一、腫瘤中細菌觸發的光熱剝離作用（photothermal ablation）。Balb/c 小鼠在注射沙門氏菌後的（A）照片、（B）光聲影像、（C 和 D）光聲訊號、雷射照過後的（E）紅外線熱成像和（F）腫瘤生成大小。病理切片及染色顯示，腫瘤中的細菌吸引更多的中性粒细胞浸潤及促進出血現象，造成腫瘤內發炎及血栓（H 和 I）。感染減毒沙門氏菌的老鼠血清中，也偵測到更高的發炎（圖 K）及血管擴張發炎因子（圖 L）。圖片來源：DOI: 10.1126/sciadv.aba3546
作者也觀察到受細菌感染的腫瘤，經過光熱療法後，該腫瘤旁的淋巴結中有更多成熟的樹突細胞 （圖二 A 及 B）。由此推測，光熱療法後的癌細胞碎片（作為腫瘤抗原）和細菌（作為輔助劑）可以共同發揮作用，引起具有腫瘤特異性的免疫反應。為了進一步驗證細菌感染及光熱療法於免疫療法上的應用，團隊在實驗中另加免疫檢查點抑制劑：CTLA-4 抗體。結果顯示給予細菌感染/光熱療法/CTLA-4 抗體之三重聯合療法，可以更有效地抑制遠端腫瘤的生長（圖二 C 及 D）。原因為該三重聯合療法促使更多抗腫瘤的 CD8 T 細胞浸潤於腫瘤中（圖二 E），同時抑制調節 T 細胞（regulatory T cell, Treg）浸潤的數量（圖二 F），且小鼠血清中有更多的調控免疫反應的细胞因子（cytokines）TNF-α （圖二 G）及 IFN-γ（圖二 H）。另外，在原位腫瘤模型中（圖二 I），三重聯合療法抑制了乳癌細胞的轉移至其他器官（圖二 J），並可提升小鼠的存活率（圖二 K）。這樣的三重聯合免疫療法，可以透過提升宿主免疫反應達到全身性抗癌的功效，彌補了光熱療法無法到達的遠端已經轉移的腫瘤。
圖二、細菌感染及光熱療法後引起的抗腫瘤免疫反應。不同條件下，（A 和 B）淋巴結中成熟樹突細胞的數量。（C）三重聯合免疫療法之動物實驗示意圖。不同條件下，（D）遠端腫瘤之生成、（E）腫瘤內浸潤之 CD8 T 細胞數量、（F）調節 T 細胞的數量及血清中（G）TNF-α 及 （H）IFN-γ 表現量。（I）三重聯合免疫療法用於原位腫瘤動物實驗示意圖。不同條件下，（J）癌症遠端轉移及（K）小鼠生存率。 圖片來源：DOI: 10.1126/sciadv.aba3546
最後，為了驗證細菌感染及光熱療法所引起腫瘤免疫反應是否能誘導免疫系統長期記憶。團隊讓原位腫瘤生長至一定大小之後，先用手術或細菌感染及光熱療法移除，並在四十天後再打入癌細胞，模擬腫瘤再復發的情形（圖三 A）。結果顯示，即使沒給予 CTLA-4 抗體，細菌感染及光熱療法足以抑制腫瘤復發（圖三 B），且所有小鼠在實驗結束前皆存活下來（圖三 C）。同時，細菌感染及光熱療法組的老鼠中，脾臟內有更多的 CD8 效應記憶 T 細胞（effector memory T cells, TEM）（圖三 D），血清裡 TNF-α 及 IFN-γ 的表現也明顯比對照組多（圖三 E）。
圖三、細菌感染及光熱療法引起長期免疫記憶效應。癌症復發及其治療之動物實驗示意圖（A）。量測經過不同療法後（B）再接種腫瘤的大小、（C）小鼠存活率、（D）脾臟內 CD8 效應記憶 T 細胞數量及 （E）血清裡 TNF-α 及 IFN-γ 的表現量。（F）該研究所提出的抗癌聯合療法及其機制之示意圖。圖片來源：DOI: 10.1126/sciadv.aba3546
結論，該團隊提出了新的抗癌聯合療法：（一）減毒的沙門氏菌，會聚集在腫瘤內，引起發炎反應並促成感染腫瘤血栓；（二）血栓引起腫瘤變成棕紅色的外觀， 有助於近紅外光光熱療抗癌的成效；（三）搭配免疫檢查點阻斷可進一步增強抗腫瘤免疫反應。以上聯合療法不僅可以消除原位腫瘤，也可以抑制癌細胞的轉移及復發（圖三 F）。而這樣低侵入性、低副作用、高免疫表達的特性，未來有可能作為臨床上新的抗癌利器。
Main Article:
Yi, X., Zhou, H., Chao, Y., Xiong, S., Zhong, J., Chai, Z., … & Liu, Z. (2020). Bacteria-triggered tumor-specific thrombosis to enable potent photothermal immunotherapy of cancer. Science advances, 6(33), eaba3546.
參考文獻：
1. Toso, J. F., Gill, V. J., Hwu, P., Marincola, F. M., Restifo, N. P., Schwartzentruber, D. J., … & Rosenberg, S. A. (2002). Phase I study of the intravenous administration of attenuated Salmonella typhimurium to patients with metastatic melanoma. Journal of clinical oncology: official journal of the American Society of Clinical Oncology, 20(1), 142.
2. Agrawal, N., Bettegowda, C., Cheong, I., Geschwind, J. F., Drake, C. G., Hipkiss, E. L., … & Vogelstein, B. (2004). Bacteriolytic therapy can generate a potent immune response against experimental tumors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 101(42), 15172-15177.
撰文｜張櫂杬
審稿｜林書岑
