使用工程哺乳动物细胞在患者体内按需生产治疗药物的细胞治疗方法正在从概念验证走向临床应用。
治疗性细胞可以感应、处理疾病环境中的信号，并以可编程和可预测的方式做出响应。
近日，苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系教授、合成生物学巨擘 Martin Fussenegger 发表综述，介绍了用于设计治疗细胞的可用工具和策略，讨论了控制细胞行为的各种方法，列举了工程细胞在早期诊断和治疗各种疾病中的应用，展望了新兴技术融入未来细胞疗法的潜力。
用于细胞工程的合成生物学工具箱
哺乳动物的细胞工程通常从功能性遗传基因线路的设计和构建开始，然后再转入原代细胞、永生化细胞系或干细胞中。
设计线路时，必须考虑三个主要问题：细胞会接收到什么刺激？如何处理刺激信号？如何做出反应？
图丨治疗性细胞工程（来源：研究论文）
受体接收刺激
刺激物通常是与疾病相关的生物标志物、化学分子或其他远程可控信号，细胞也需要相应的配体与之结合，将信号传导到细胞中。质膜受体和可转换蛋白受体（胞质受体）是合成生物学中最常用的传感器。
天然受体具有明确的功能，可用于构建具有类似功能的工程细胞，例如黑视素是一种对蓝光敏感的 G 蛋白偶联受体 (GPCR)，它存在于动物的眼睛中并调节睡眠，在非视网膜细胞中的表达可以作为感知光的受体。
嵌合受体是由来自不同蛋白质的结构域组成的工程化受体，可以为没有已知天然受体的配体设计新的受体，或替代原始信号通路中的受体。
细胞内反应
受体的激活可以激活胞内各种信号通路，只需替换细胞内信号转导域即可。与质膜受体类似，可转换蛋白受体（胞质受体），可在与其配体相互作用时进行激活/失活。
激活的传感器可以触发内源性信号通路或正交系统途径，质膜受体（天然受体、嵌合受体和离子通道）通常会激活内源性信号通路，引发细胞内第二信使的增加，从而导致转录因子的激活或细胞代谢的变化。相比之下，正交系统旨在最大限度地减少激活成分和内源性信号通路之间的串扰。这些系统通常依赖于来自其他生物的蛋白质结构域，例如细菌和病毒。
细胞响应
疾病的治疗需要通过植入细胞来进行治疗，根据目标疾病的性质设计反应剂量，通过使用不同的生产和分泌过程可以实现不同的治疗反应。
基于转录的治疗反应通常很慢（刺激后 4-8 小时），适用于治疗需要持久、长期变化的疾病。对于需要在几分钟或几小时内给予治疗性药物的疾病（例如 I 型糖尿病），快速响应至关重要，对此，可以提前在细胞内部生产和储存治疗性蛋白，在受到刺激时释放，无需等待转录和翻译过程。
闭环介导的遗传电路
细胞工程的分子工具通常用于控制治疗分子的活性或剂量，基于闭环和开环电路的两种类型的控制系统可供精确定时感应。在闭环系统中，疾病生物标志物触发细胞中的分子反馈线路，表达治疗性蛋白质，进而使生物标志物的浓度下降，治疗性蛋白质的表达也逐渐下降。
图丨闭环介导的基于细胞的疗法（来源：研究论文）
膜结合的生物标记物通常呈现在细胞的表面（被病毒感染的细胞或癌细胞），在这种情况下，配体结合和细胞的激活需要细胞间的物理接触，例如膜上表达嵌合抗原受体 (CAR) 的工程化 T 细胞。带有靶向细胞表面标志物 CD19 的 CAR- T 细胞已获得 FDA 批准，目前用于治疗不同类型的白血病。
用 CAR 改造 T 细胞是 T 细胞工程中的一个活跃领域，不同的策略已被用于提高改造细胞的功效，包括交换或扩大细胞内信号域和定制诱导后激活的基因，还可够通过定制输入和输出信号来提高 CAR 的特异性。
与 CAR-T 细胞疗法在血液系统恶性肿瘤中取得的成功相比，T 细胞对实体瘤的渗透性差、抑制性肿瘤微环境 (TME) 和潜在的副作用等问题阻碍了其在实体瘤中的应用。因此，用 CAR 修饰其他类型的细胞作为克服其中一些障碍的方法引起了极大的兴趣。
例如，用 CARs (CAR-M) 转导的巨噬细胞可以有效地促进抗肿瘤反应和实体瘤的根除，用 CAR (CAR-NK) 改造的自然杀伤 (NK) 细胞显示出比 T 细胞疗法更少的副作用。
与 CAR 受体相反， synNotch 受体可触发正交途径来激活所需基因的表达。T 细胞与其靶标之间的物理相互作用产生的机械力暴露了 synNotch 受体跨膜部分中隐藏的蛋白酶位点，该位点随后可以被蛋白酶切割，释放转录激活剂，该激活剂易位至细胞核并启动所需基因的转录。
此外，synNotch 受体的表达已被用于增加或改变 CAR-T 细胞的特异性，通过在识别癌细胞上的其他抗原时靶向表达 CAR 受体或通过分泌免疫介质刺激肿瘤部位的免疫系统。为了扩大 CAR 和 synNotch 的靶向能力，已经开发出一种称为 SNAP 的通用可切换策略，用于将工程化 T 细胞重新靶向多种抗原。
在 SNAP-CAR/-synNotch 系统中，SNAP 标签自标记酶在 T 细胞膜上的表达使受体与共同施用的苄基鸟嘌呤 (BG) 偶联抗体之间发生共价相互作用。然后，针对不同抗原的抗体可以激活 SNAP 受体及其下游效应器功能。
第二类闭环电路是由可溶性生物标志物如内源性代谢物激活，下表提供了已在人工细胞及其传感器系统及其治疗应用中实施的闭环系统列表。
图丨在人工设计单元中实现的闭环系统示例（来源：研究论文）
在某些情况下，细胞中的闭环遗传线路也被用于早期诊断，细胞不产生治疗性蛋白质，而是产生警报信号。
开环基因网络系统
开环系统没有任何基因编码的负反馈回路，但通常使用外源诱导剂（化合物和物理方法）来激活基因表达。
化学诱导剂分子包括有机和无机化合物、刺激肽和挥发性气味剂。除了无机化合物，我们日常饮食中的可食用分子也可用于诱导设计细胞。例如，C-STAR（咖啡因刺激的高级调节剂）设计细胞是经过工程改造的细胞，可以在饮用市售咖啡后产生 GLP1，这是一种临床许可的 2 型糖尿病治疗蛋白。
C-STAR 细胞基于咖啡因诱导的二聚化和随后触发 JAK-STAT3 通路的嵌合受体的激活。该遗传回路被重新连接到一个合成表达单元，该单元包含 STAT3 的结合位点，以驱动 GLP1 的表达。
图丨开环介导的细胞疗法（来源：研究论文）
物理诱导剂可以提供一种稳健、高效和精确的方式，在特定的时间和地点无线控制细胞行为。基于物理诱导剂的方法还降低了交叉反应和脱靶效应的可能性，另外避免了对组织或目标器官的侵入性。物理方法包括光、磁和机械力、热和电刺激，可用于非侵入性、安全和可靠的物理刺激，以远程控制工程细胞。
分子生物学、材料科学和数字设备领域的新兴新技术，尤其是设计细胞开发、制造和植入领域，有望通过提高安全性、效率和特异性在未来迅速推进基于细胞的治疗。
正在开发分子生物学水平的策略，以最高效率和最低细胞毒性将生物货物输送到哺乳动物细胞，同时降低相关风险。尽管有相对可靠的 DNA 递送方法，但将大型构建体（例如多基因回路）递送至细胞仍然具有挑战性。
患者细胞移植后免疫系统反应的激活也是一个主要问题，人源性遗传回路可以减少细胞植入后可能的免疫原性反应，因此，在工程细胞中更多地使用人源化基因回路可以潜在地最大限度地降低免疫系统反应的风险。
细胞封装是另一种使植入的设计细胞能够逃避免疫系统反应的策略，需要通过材料工程开发确保设计细胞长期移植的新细胞封装策略。此外，用于包裹设计细胞的微型生物相容性材料对光遗传学和电遗传学介导的细胞疗法也很重要。
可穿戴电子设备等数字技术的结合也可以促进基于细胞的个性化治疗。智能设备提供了一个可靠的传感器平台，作为接收器单元，感知生物标志物水平并将数据传输给患者，使患者能够通过化学化合物或物理方法激活工程细胞，调节分泌的治疗分子的水平。
此外，数字设备可收集日常健康相关数据，并通过人工算法或机器学习模型对其进行分析，处理后的信息可以通过物联网与其他与健康相关的数据相结合，最终传输给临床医生，以持续监测患者的状态，使医生能够远程控制治疗。
生辉SynBio对原文进行了摘编，更多内容可点击原文链接阅读：
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs13238-021-00876-1
-End-
点击关注生辉SynBio，专注于合成生物学科研及产业化的全链条内容和数据品牌↓↓↓
独家专访国内细胞培养肉初创CellX：要打造现代畜牧业和养殖业的终极解决方案，已有产品原型
植入型智能细胞疗法，实现即时响应药物递送，可用于多种慢性病
生物燃料领域受挫之后，藻类生物技术更换赛道「卷土重来」