3D spheroid models to study tumor colonizing anaerobic bacteria: a bridge from in vitro to in vivo

在人体内最顽固的肿瘤内部，往往会形成一种奇异且危险的地貌。随着癌细胞以失控的速度增殖，它们生长的速度超过了自身血液供应的能力，从而创造出氧气无法到达的深度饥饿区域。这些区域会坏死，转化为坏死组织，这是侵略性疾病的一个特征，通常预示着患者预后不良。然而，这个死亡地带隐藏着一个独特的秘密：它是某些无法在有氧环境下生存的细菌得以繁衍的唯一场所。科学家们早已知晓，这些厌氧细菌会自然地寻找并定植于这些垂死的肿瘤核心。这一发现引发了长达数十年的努力，旨在将这些微观入侵者转化为盟友，通过基因工程手段让它们递送药物，或触发免疫系统从内部攻击癌症。

然而，在这些“活体药物”进行人体测试之前，研究人员必须证明其安全性和有效性。传统的实验室测试使用培养皿中平铺的细胞层，无法重现肿瘤内部那片缺氧、死亡的中心，这使得研究人员无法观察细菌是否真的能找到目标。相反，直接在动物身上进行测试会引发严重的伦理问题，且往往过于复杂，无法快速筛选多种不同的细菌菌株。为了弥补这一差距，马斯特里赫特大学的一个研究团队开发了一种全新的三维模型，该模型模拟了肿瘤内部的真实条件，使他们能够观察这些细菌在接近人体环境下的行为表现。

研究人员首先利用三种来源的癌细胞——两种小鼠癌症和一种人类结肠癌——培育出了微小的球状细胞簇。他们让这些细胞簇生长，直到它们发育出自身的内部死亡区，就像真实的肿瘤一样。一旦这些坏死核心形成，团队便引入了产孢梭菌（Clostridium sporogenes）的孢子，这是一种对人类无害但热衷于在无氧环境中生活的非致病细菌。他们观察到，这些细菌成功从孢子中孵化，并深入移动到了细胞球的死亡中心。在小鼠癌症模型中，细菌生长得异常旺盛，最终导致整个肿瘤球解体；而在人类癌症模型中，细菌则稳定地定植并保持状态，这镜像了在活体动物体内发生的情况。

在细菌成功定植于这些模型后，团队转向了安全性测试。使用细菌作为药物的一个主要担忧是，如果出现问题或治疗需要结束，是否具备停止它们的能力。研究人员测试了几种常见的抗生素，以观察哪些药物可以清除肿瘤球内部的细菌。他们发现，某些药物（如替加环素）只能暂停细菌的生长；一旦药效消失，细菌就会重新开始增殖。然而，其他抗生素（特别是奥格门酸和万古霉素）则是真正的杀手，它们能彻底消灭细菌种群，并保持肿瘤球完整且不受感染。这种区别至关重要，因为它证明了该模型能够区分哪些药物只是减缓细菌生长，而哪些药物能将其彻底清除。

最后，团队测试了一种名为“梭菌定向酶促前药疗法”的特定癌症疗法。在这种方法中，细菌经过基因改造，携带一种特殊的工具，能够将一种无害的药物转化为毒素，但这种转化仅发生在细菌居住的肿瘤内部。研究人员将这些工程化细菌和无害药物加入到他们的肿瘤模型中。在小鼠癌症模型中，这种组合导致的肿瘤球缩小程度明显高于单独使用细菌或药物的效果。人类癌症模型也显示出类似的生长抑制趋势，尽管效果稍逊一筹。这些结果与科学家此前在活体动物身上观察到的现象相吻合，证实了这种简单的三维细胞球能够准确预测复杂的细菌疗法在生物体内的表现。

通过创建一个能够捕捉肿瘤内部缺氧、死亡核心的系统，研究人员为癌症治疗的未来提供了一个强大的新工具。该模型允许科学家快速且符合伦理地筛选数十种细菌菌株和药物组合，在进入动物或人体测试之前，先过滤掉那些无效的方案。它为完善这些“活体药物”提供了一条清晰的路径，确保当它们最终进入临床时，是安全、有效且准备好针对癌症最危险的部分进行精准打击的。