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小分子及蛋白质药物是传统意义上的治疗方式，其内在的生物活性一般通过药物化学、蛋白质工程或药物递送的方式来增强，以达到治疗效果和安全性。虽然这些方法能够发现和开发改变生活的药物，但在众多人类疾病中仍有许多未满足的临床需求。
合成生物学方法类似于药物化学方法，通过引入合成基因电路来生成工程化活体疗法（Engineered Living Therapies，ELT），从而实现多种细胞类型的功能化。这些工程化的细胞能够控制治疗所需的剂量以及时间，以响应特定疾病的生物标志物。
近日，来自哈佛大学 Wyss 研究所的 James Collins 教授、MIT 的卢冠达教授（James J. Collins）以及来自合成生物学公司 Synlogic、Artizan Biosciences、Intergalactic Therapeutics 的几位作者共同发表了题为 “Engineering living therapeutics with synthetic biology” 的综述。
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文章首先描述了如何使用合成生物学方法使人类不同类型细胞功能化；其次还描述了基于人类细胞及微生物细胞创建工程活疗法；除此之外，文章中还分析了可提供自主、正交和持久性治疗方案的工程化细胞开发的未来前景。
用于改造细胞的遗传电路
生物可以执行特定的任务，并且适应不断变化的环境，这些都是因为遗传电路的存在。遗传电路可以解构为更简单的功能单元或模块，具有定义的输入和输出。一般包括输入模块、运算模块，以及输出模块。这些模块的组合和集成能够创建复杂的合成系统，重新编程整体细胞行为以支持所需的应用。首先，输入模块检测生物或非生物信号并将它们转换为可解释的分子信号；其次，运算模块计算来自输入模块的传输信号并确定适当的行为；最后，输出模块将计算出的信号转换为所需的细胞反应。例如，翻译可以被视为两个输入（mRNA 和核糖体）和一个输出（蛋白质）的功能模块。由于这种模块化，系统的整体行为可以表示为一组相互关联的操作。使用该框架，合成生物学家可以使用先前已表征的遗传部分独立设计、测试和表征新的功能模块。这也实现了将功能模块集成到更复杂的遗传电路中。引入到活细胞中的遗传电路组件被设计为具有输入和输出的功能模块。这些传感模块的初始输入可能包括环境或疾病生物标志物。识别后，输出模块可以进行响应，以驱动工程细胞的治疗行为。例如，升高的血糖可以作为输入，葡萄糖转运蛋白和它的信号级联可以感知，从而驱动胰岛素的表达。胰岛素释放后血糖水平的降低通过反馈控制负向调节回路活动。这些传感和处理模块的架构可以包括各种逻辑门，以指定治疗反应的灵敏度、灵活性、强度和时间。工程化的细胞必须能够感知并响应环境线索或者疾病生物标志物。后者会编码关于其位置、响应疾病状态和启动适当治疗反应的时间的信息。为此，合成基因电路必须包括传感器元件、信号处理 / 转导元件和控制元件，以调整所需的动态响应。遗传电路的使用是基于细胞的疗法的一个重要特征。这些策略可以解决传统疗法的一些局限性 —— 缺乏灵活性、特异性和可预测性。基因电路的设计在哺乳动物细胞和细菌中具有相似的原理，但用于工程策略的分子工具包不同。工程化细胞 / 菌
使用人类细胞作为工程遗传电路的底盘代表了生物工程的重大进步，工程化人类细胞还为外源性治疗方案提供了天然的细胞内环境，促进与生理相关分子过程（例如翻译后修饰）和与疾病治疗直接相关的生化途径（例如作为致癌信号）。文章中根据不同的底盘细胞分类，介绍了不同类型的工程化人类细胞，包括组织驻留型、植入型以及循环工程细胞。其中，循环工程细胞是为了解决癌症而发展起来的，包括根据不同方式设计的 CAR-T 细胞。比如可控的 CAR-T 细胞、灵活的 CAR-T 细胞、选择性 CAR-T 细胞，以及集以上功能于一体的 CAR-T 细胞。微生物细胞也可以通过合成生物学方法进行操作，并输送到人体以预防或治疗疾病。因其易于操作、代谢简单的特点，微生物系统已经成为合成生物学发展不可或缺的一部分。用于开发治疗性平台的细菌菌株通常取决于两个因素：菌株的安全性以及对基因操作的适应性。比如，乳酸菌已经被认为是将有效荷载递送到人体组织的无害载体。特别是乳酸乳球菌，经常作为发酵乳制品的一部分食用，已被广泛开发为具有工业和临床应用的基因工程工作的宿主。同样，各种大肠杆菌菌株也已广泛用于活体治疗应用。作者在文章中介绍了在肠道和肿瘤环境中起作用的工程细菌疗法的进展。包括工程细菌作为效应分子的传递载体、肠道生物标志物的细菌活生物传感器、代谢紊乱的工程细菌疗法、以及肿瘤相关的工程菌等。工程化细胞的发展趋势
合成生物学已经被证明在难治性疾病上有了进步，作者简述了工程化细胞的发展趋势。但文章也指出，目前以细胞层面开发的治疗方式还未得到广泛应用，因此在制造和临床开发方面依旧面临挑战。负反馈控制的基因电路可以自主地纠正疾病驱动的对健康生理的干扰，如糖尿病和甲亢等复杂疾病。闭环感知和反应治疗系统根据预定义的设定点自我调节其活动。一旦实施，这些系统将不再需要额外的指令。得益于这种设计原则，可以应用于减轻细胞疗法的毒性（如 CAR - T 细胞的细胞因子释放综合征）。合成生物学的主要目标之一是对新的细胞功能进行编程，通常会使用源自天然生物系统的构建块。这会导致合成和内源性途径之间的串扰问题，从而损害预期功能的保真度。从不同的生物体中选择正交模块进入人类细胞（例如细菌双组分系统）是改善与内源过程串扰的一种方法。许多工程化活体疗法的成功应用将依赖于引入细胞在体内的持久性。微生物群代表了一个生态位，在这个生态位中，合成工程的共生底盘可以被诱导植入并无限期地持续存在，只有在感知到预先确定的病理线索或线索组合时，才具有响应和激活效应电路的内置能力。工程基因电路的稳健、长期功能也是持久性的重要考虑因素。例如，合成结构中的重复 DNA 元件会导致遗传不稳定性和预期活性的丧失，而设计非重复元件将有助于构建越来越复杂的电路。文章的最后，作者表示，工程化活体疗法正处于拐点，过去传统药物难以解决的重大生物医学挑战正在由生物工程的方式解决。人类和微生物细胞可以通过基因改造来纠正内在缺陷或释放它们的治疗潜力。- Cubillos-Ruiz, A., Guo, T., Sokolovska, A. et al. Engineering living therapeutics with synthetic biology. Nat Rev Drug Discov (2021).
- https://doi.org/10.1038/s41573-021-00285-3
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