合成生物学的医学应用研究进展

人工细胞用于肿瘤诊疗

人工设计改造的免疫 T 细胞正在成为强有力的癌症药物，肿瘤细胞免疫治疗被认为是 2017 年全球生物科技最大“风口”，癌症免疫疗法还拿下了 2018 年诺贝尔生理学或医学奖。继以 PD-1/PD-L1 为代表的免疫检查点抑制剂药物在癌症研究和治疗领域大放异彩，CAR-T 疗法更成为有望战胜癌症的重磅武器。CAR-T 技术，即采用人工合成的嵌合抗原受体（chimeric antigen receptors，CARs）在体外工程化改造T细胞。与天然的生理抗原受体不同，CARs 可以被工程化设计，识别肿瘤特异的蛋白质、糖脂、HLA 多肽复合物等。人工设计改造后的 T 细胞经过扩增再回输患者体内，特异性识别、结合、杀伤癌症细胞，从而达到靶向治疗的目的。

在临床应用领域，CAR-T 疗法当前在全球正在进行 307 项临床试验，其中 164 项来自中国。2018 年 7 月，美国批准了诺华公司的 Kymriah（曾用名 CTL019）这一全球首个 CAR-T 产品上市，用于治疗急性淋巴细胞白血病，Kymriah 产品定价为 47.5 万美元。Kite 公司的Yescarta（KTE-C19）也紧随其后获批上市，产品定价 37.3 万美元。

我国研发单位在激烈的全球竞争中不落下风，临床试验数量约占全球一半，靶点除 CD19 之外还包括 MCU-1、EPCAM 和 GPC3 等最新靶点。中国人民解放军总医院（301 医院）已于 2014 年开始了相关临床试验，其研发管线也最为丰富；四川大学华西医院、第三军医大学西南医院、上海肿瘤研究所与仁济医院等也取得了良好疗效。国内进入 CAR-T 领域的公司有药明巨诺、复星凯特、上海昆朗、上海比昂、科济生物、优卡迪、恒润达生、中源协和、南京传奇、南京凯地、北京马力喏、西比曼和博雅控股等。

CAR-T 技术在新靶点寻找、实体瘤攻克、通用型生产等方面，仍需不断改善。在基础研究领域，科学家也在利用合成生物学手段，不断设计性能更优的人工细胞。近期研究进展包括：

深圳市第二人民医院团队利用逻辑“与门”及“信号连接器”概念，设计构建基因线路进行膀胱癌细胞识别和治疗。该团队利用 CRISPR-Cas9 系统成功构建了携带逻辑“与门”的基因线路，利用膀胱癌特异性启动子 UPⅡ和端粒酶逆转录酶作为输入信号：当两种启动子均激活时，方可启动下游信号（如荧光素酶）的表达，从而将膀胱癌细胞与其他细胞实现有效区分；当输出信号为细胞凋亡相关分子，则还可实现特异性杀伤目的。该研究为膀胱癌和其他肿瘤检测和治疗提供了一个标准化的合成生物学平台，对开发新的肿瘤生物治疗器件具有重要的指导意义。该团队还创造性地提出“信号连接器”概念，即将发挥内源蛋白识别功能的核酸适配体 RNA 与发挥靶点 mRNA 识别功能的引导 gRNA 连接，这种新型“信号连接器”可在细胞内特异性识别癌信号通路关键蛋白分子，并进一步借助 gRNA 靶向抑制癌信号分子的翻译效率，从而在诊断上定量检测多个层面的生物信号，综合判断膀胱癌细胞所处的疾病状态，并在治疗上利用重新构建的基因线路替代膀胱癌细胞内原已受损的基因线路使细胞恢复到正常状态，从而达到了精准诊断、特异高效治疗肿瘤的目的。

加利福尼亚大学团队合成了细胞感应分子——Notch（包含新的外部传感部件和新基因活化部件）用于杀死肿瘤细胞。研究表明，Notch 分子可以让细胞在体内识别多种分子并打开特定基因的响应。例如，细胞会感应分子损伤并打开刺激修复的基因，或感应癌症相关分子并激活相应功能基因，促使免疫系统杀死肿瘤细胞。它们还可用于感应微小人造支架的蛋白质，令细胞分化填充膀胱、肝脏或生成替代器官。

基于癌细胞与正常细胞的基因表达谱的显著差异，麻省理工学院团队研发了自动检测癌症信号的合成基因线路，专门区分癌细胞和非癌细胞，触发机体免疫系统攻击癌细胞。利用病毒载体将基因线路呈递给目标细胞后，合成启动子就会与肿瘤细胞的特定活跃蛋白结合，完成自身活化；当两种癌症启动子同时被激活后，基因线路才会自动打开；随后，各种功能蛋白（细胞表面蛋白、细胞因子、趋化因子等）就会引导 T 细胞识别和杀死肿瘤细胞。