肿瘤免疫疗法常因免疫抑制性肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）而受到限制，该环境以异常血管结构和耗竭T细胞为特征。

2026年3月18日，北京大学梁晓龙和马晓途共同通讯在Nature Biotechnology 在线发表题为“Sustained nitric oxide production by engineered E. coli remodels the tumor microenvironment and potentiates immunotherapy”的研究论文。该研究构建了一种携带合成精氨酸–一氧化氮回路的大肠杆菌Nissle 1917（Escherichia coli Nissle 1917, ECN）工程菌株（ECNNO），该菌株通过改造精氨酸合成途径，实现精氨酸的持续合成与一氧化氮的稳定生成。

具体而言，敲除精氨酸阻遏蛋白ArgR解除了对精氨酸生物合成的反馈抑制，同时共表达精氨琥珀酸合成酶与裂解酶（ArgG/ArgH）以及枯草芽孢杆菌一氧化氮合酶（Bacillus subtilis Nitric Oxide Synthase, BsNOS），通过增强精氨酸再生实现了持续的一氧化氮生成。瘤内定植ECNNO可显著增强抗程序性死亡配体1（antiProgrammed Cell Death Ligand 1, αPDL1）免疫疗法的抗肿瘤效果，在多种实体瘤小鼠模型中均诱导了持久的肿瘤消退。机制研究表明，ECNNO可促进血管正常化、募集树突状细胞、缓解肿瘤免疫抑制，并与αPDL1协同扩增功能性CD8⁺ T细胞、逆转T细胞耗竭并促进记忆T细胞形成，从而建立持续至少120天的抗肿瘤免。

肿瘤免疫治疗，特别是αPD-L1介导的免疫检查点阻断（ICB），近年来在临床应用中取得了显著进展。然而，其总体应答率仍然较低，限制了其广泛应用。这一治疗瓶颈的主要机制可归因于免疫抑制性肿瘤微环境，其特征是免疫细胞浸润受限和肿瘤血管结构异常。此外，慢性抗原刺激和持续的抑制性信号逐渐损害T细胞功能，导致T细胞耗竭，其特征是增殖能力下降、细胞毒性受损以及抑制性受体表达上调。

肿瘤血管的病理异常包括血管扭曲变形、周细胞覆盖不足、过度扩张和通透性增加，导致灌注不良和血管功能受损。这些因素不仅阻碍免疫细胞向肿瘤组织浸润，还形成了具有缺氧和间质液压升高等特征的免疫抑制微环境，从而限制了抗肿瘤免疫应答。此外，研究表明，异常的内皮细胞会过度表达促血管生成因子，如血管内皮生长因子（VEGF）和血管生成素2（ANG2），同时异常分泌免疫抑制性细胞因子，如转化生长因子-β（TGF-β）和白介素-10（IL-10），直接抑制树突状细胞成熟并促进调节性T（Treg）细胞扩增。再者，诸如低剂量抗VEGFR2抗体等常规策略的疗效，受限于血管正常化的短暂性，因为过度的血管修复或消退后，其免疫增强效应会迅速减弱。因此，精确调控血管正常化的持续时间，使其与ICB治疗的最佳时机同步，仍然是一个关键的研究重点。

T细胞耗竭是免疫治疗面临的另一主要挑战。慢性抗原刺激和高度免疫抑制的环境因素诱导耗竭性T（Tex）细胞过度表达多种抑制性受体，包括程序性死亡受体-1（PD-1）、T细胞免疫球蛋白黏蛋白-3（TIM-3）和细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白-4（CTLA-4），导致其增殖能力和效应功能逐渐丧失。目前的逆转策略，例如体外T细胞受体（TCR）基因编辑和细胞因子疗法，已被用于增强T细胞的抗肿瘤活性。然而，这些方法通常需要复杂的组分组合和精密的递送系统，增加了治疗成本，并带来了额外的安全风险和临床实施挑战。因此，开发更智能、更高效的治疗策略，能够同时促进肿瘤血管正常化、改善肿瘤微环境并逆转T细胞耗竭，对于提高ICB疗效至关重要。

基因工程菌ECN-NO产NO的特性研究（图片源自Nature Biotechnology ）

作为一种关键的信号分子和生物活性物质，一氧化氮（NO）在调节机体多种生理活动（包括血管生成和血管稳态维持）中发挥着核心作用。此外，NO在免疫治疗中也扮演着重要角色。通过对NO信号进行精准干预，有望打破肿瘤免疫抑制屏障，为下一代联合免疫疗法的开发提供新思路。然而，大多数NO递送系统的非特异性分布和有限的作用持续时间，仍然极大地限制了NO在调节血管和免疫系统方面的有效性，而这一调节过程通常是缓慢的，需要靶向且持续的作用。细菌因其能够在肿瘤区域长期定植、存活、增殖并充分渗透肿瘤组织，已被广泛用于癌症的诊断与治疗。

某些细菌天然具备产生NO的能力，例如铜绿假单胞菌、氨氧化细菌和拟杆菌属；然而，其体内应用可能存在潜在的安全隐患，同时NO的产量有限且会被细菌自身消耗。为了构建一个稳定且可持续产生NO的工程菌系统，必须同时解决精氨酸的可利用性和一氧化氮合酶（NOS）的高效表达问题。然而，目前尚无成功建立该完整系统的报道。近期研究表明，工程菌可以通过增强肿瘤内精氨酸的可用性来代谢调控肿瘤微环境，从而支持抗肿瘤免疫。然而，该策略主要提供代谢补充，并未将扩增的精氨酸通量直接转化为能够协调血管重塑和免疫重编程的持续性生物活性效应信号。因此，将精氨酸自给自足与持续的NOS活性相结合，是实现NO介导的肿瘤微环境持久调控的一个关键但尚未满足的设计原则。

本研究通过合成生物学方法，对一种经过深入研究且广泛应用的益生菌——大肠杆菌Nissle 1917（ECN）进行改造，修饰了精氨酸合成途径中的多个基因并引入NOS，构建了能够持续产生NO的工程菌（ECN-ΔargR-NOS-argAfbr-argG-argH，简称ECN-NO）。ECN-NO优先定植于肿瘤部位并持续释放NO，促进血管正常化并缓解缺氧，从而促进免疫细胞浸润。这种重塑后的微环境增强了树突状细胞的募集与成熟，加强了抗原呈递，并将髓系细胞群重编程为促炎表型（M1极化及髓源性抑制细胞（MDSCs）减少），共同支持CD8⁺T细胞介导的抗肿瘤免疫。至关重要的是，这些上游变化恢复了CD8⁺T细胞的效应功能并减轻了T细胞耗竭，导致其增殖和细胞毒性增强，并建立了持久的抗肿瘤应答。细胞清除实验证实，CD8⁺T细胞对于治疗效果不可或缺，其他免疫细胞群则起辅助作用，突显了一个以克服T细胞功能障碍为中心、协调的多层次作用机制。通过同时实现血管正常化、缓解免疫抑制和重振Tex细胞，ECN-NO为在多种实体瘤小鼠模型中增强ICB疗效提供了一个强有力的策略。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41587-026-03054-y