基于合成生(shēng)物(wù)學的可控基因邏輯線路，正在逐漸被應用于細胞療法中(zhōng)。

 

近日，聖路易斯華盛頓大(dà)學醫學院再生(shēng)醫學中(zhōng)心聯合主任 Farshid Guilak 團隊，在 Science Advances 上刊文，介紹了一(yī)種利用合成生(shēng)物(wù)學手段設計的植入式基因工(gōng)程細胞複合物(wù)，可在炎症因子刺激下(xià)分(fēn)泌抗細胞因子藥物(wù)，治療炎症性關節炎。

 

Guilak 在社交媒體(tǐ)上表示，這篇文章結合了合成生(shēng)物(wù)學和組織工(gōng)程學技術，開(kāi)發了一(yī)種可感知(zhī)炎症并按需遞送藥物(wù)的植入系統。

 

圖丨研究論文

 

Farshid Guilak 團隊長期關注 3 個領域：肥胖、炎症和骨關節炎；軟骨中(zhōng)機械性信号轉導的機械生(shēng)物(wù)學和機制；骨關節炎的幹細胞療法。

 

自動感應給藥

 

類風濕性關節炎 (rheumatoid arthritis，RA) 是一(yī)種累及周圍關節爲主的慢(màn)性、對稱性、進行性自身免疫炎症性疾病，流行病學調查顯示，全世界 0.5%～1% 的人口患有 RA，我(wǒ)(wǒ)國的發病率約爲 0.42%。

 

随着治療水平的進步，越來越多的 RA 治療藥物(wù)出現，主要包括非甾體(tǐ)類抗炎藥 (NSAIDs)、改善病情抗風濕藥物(wù) (DMARDs)、糖皮質激素以及生(shēng)物(wù)制劑等。盡管這些藥物(wù)在抗炎、延緩疾病進展等方面有一(yī)定效果，但其不良反應依舊(jiù)是一(yī)個不可忽視的問題。

 

文章中(zhōng)提到，治療 RA 的生(shēng)物(wù)藥物(wù)通常旨在靶向多種炎性細胞因子和通路，包括白(bái)細胞介素 - 1 (IL-1)、IL-6 和腫瘤壞死因子 -α (TNF-α)。但大(dà)約 40% 的患者對藥物(wù)治療沒有反應 ，藥物(wù)還會抑制患者免疫系統，增加感染風險。

 

Guilak 說：“醫生(shēng)經常通過注射或輸注抗炎生(shēng)物(wù)藥物(wù)來治療類風濕性關節炎患者，但這些藥物(wù)給藥時間長、劑量高，在産生(shēng)有益作用的同時會引起嚴重的副作用。一(yī)些研究已經發現， IL-1 受體(tǐ)拮抗劑（IL-1Ra）能夠減少 RA 關節損傷，但由于其半衰期短，未能成爲治療 RA 的常規藥物(wù)。”

 

同時，不同的給藥途徑也會帶來相應問題，如糖皮質激素長期口服可能帶來如感染、癌症風險上升等不良反應；但頻(pín)繁采取局部給藥 (關節腔内注射) 則會出現持續性疼痛等問題。因此，如何提高 RA 藥物(wù)治療的效果以及減少其不良反應已經成爲研究熱點。

 

而 Guilak 團隊則利用合成生(shēng)物(wù)學手段，在誘導多能幹細胞 (iPSC) 中(zhōng)設計了一(yī)個基因線路（如下(xià)圖），當白(bái)細胞介素 - 1 與細胞膜上的 IL-1 受體(tǐ)結合，就會通過 NF-κB 信号通路，激活趨化因子 Ccl2 啓動子，啓動下(xià)遊 IL-1Ra 基因，分(fēn)泌 IL-1Ra 并釋放(fàng)到細胞外(wài)與 IL-1 競争性結合 IL-1 受體(tǐ)，最終減少細胞免疫反應。

 

圖丨基因線路和3D編織物(wù)支架（來源：研究論文）

 

在細胞植入階段，爲了更好的讓細胞定植，該團隊開(kāi)發了一(yī)種 3D 編織支架，植入軟骨細胞形成仿真的軟骨組織，最終再将工(gōng)程細胞接種到這一(yī)組織中(zhōng)。植入動物(wù)體(tǐ)内後，細胞可以存活數月或更長時間，持續發揮治療作用。

 

“這些被編程的細胞可在皮下(xià)或關節中(zhōng)停留數月，當它們感覺到炎症刺激時，就釋放(fàng)生(shēng)物(wù)藥物(wù)。”Guilak 說。

文章表示，植入的工(gōng)程細胞可以在體(tǐ)内炎症發作時被激活，解決了注射 IL-1Ra 的方法在體(tǐ)内半衰期短的問題，可作爲一(yī)種長期藥物(wù)遞送方法，具有重要的臨床研究價值。

 

可應用于多種慢(màn)性病

 

研究的實驗對象選用了炎症性關節炎小(xiǎo)鼠小(xiǎo)鼠模型，植入了工(gōng)程細胞複合物(wù)後，小(xiǎo)鼠的炎症指标降低了約 40%，同時炎症因子對骨的侵蝕也有所減少。

 

（來源：研究論文）

 

研究人員(yuán)還發現，工(gōng)程細胞單次被激活所釋放(fàng)的 IL-1Ra 至少能持續 72 小(xiǎo)時，而一(yī)些研究已經報道的注射型 IL-1Ra 僅能持續數小(xiǎo)時。研究人員(yuán)猜測，這是由于細胞内 IL-1Ra 是通過轉錄翻譯生(shēng)成的，是一(yī)個可持續過程，而外(wài)源的 IL-1Ra 更多是一(yī)種即用型蛋白(bái)藥物(wù)。

 

文章指出，這項研究的一(yī)個不足之處是隻做了 40 天的研究，沒有進行更長時間的研究。其團隊正在尋找能夠以更高的密度和更長期存活率封裝細胞的生(shēng)物(wù)材料，并計劃繼續試驗 CRISPR-Cas9 和幹細胞，制造一(yī)種能夠響應不同炎症觸發因素，并釋放(fàng)出對應生(shēng)物(wù)藥物(wù)的工(gōng)程細胞。

 

“幹細胞的優勢就是能夠靈活分(fēn)化成各種類型的細胞，并可以根據已知(zhī)的藥物(wù)靶點，設計基因線路，合成能夠治療各類慢(màn)性疾病的細胞。”Guilak 說。

 

合成生(shēng)物(wù)學的基因線路的一(yī)大(dà)優勢是工(gōng)程化和模塊化，此前華東師範大(dà)學葉海峰教授在接受生(shēng)輝 SynBio 的采訪時，也提出了類似的概念 ——“智能藥物(wù)工(gōng)廠”，通過人工(gōng)基因線路的設計與編程指導底盤細胞輸出多種多樣的蛋白(bái)藥物(wù)分(fēn)子，例如：酶、抗體(tǐ)、激素等，通過不同的指令可以控制細胞釋放(fàng)多種藥物(wù)進行聯合治療。

 

越來越多細胞療法的研究開(kāi)始開(kāi)發能夠感知(zhī)和動态響應疾病标記的基因線路，提供可精确控制、長期遞送藥物(wù)的系統，基于工(gōng)程細胞的療法能否成爲醫學的下(xià)一(yī)個前沿？