基于合成生物学的可控基因逻辑线路，正在逐渐被应用于细胞疗法中。

 

近日，圣路易斯华盛顿大学医学院再生医学中心联合主任 Farshid Guilak 团队，在 Science Advances 上刊文，介绍了一种利用合成生物学手段设计的植入式基因工程细胞复合物，可在炎症因子刺激下分泌抗细胞因子药物，治疗炎症性关节炎。

 

Guilak 在社交媒体上表示，这篇文章结合了合成生物学和组织工程学技术，开发了一种可感知炎症并按需递送药物的植入系统。

 

图丨研究论文

 

Farshid Guilak 团队长期关注 3 个领域：肥胖、炎症和骨关节炎；软骨中机械性信号转导的机械生物学和机制；骨关节炎的干细胞疗法。

 

自动感应给药

 

类风湿性关节炎 (rheumatoid arthritis，RA) 是一种累及周围关节为主的慢性、对称性、进行性自身免疫炎症性疾病，流行病学调查显示，全世界 0.5%～1% 的人口患有 RA，我国的发病率约为 0.42%。

 

随着治疗水平的进步，越来越多的 RA 治疗药物出现，主要包括非甾体类抗炎药 (NSAIDs)、改善病情抗风湿药物 (DMARDs)、糖皮质激素以及生物制剂等。尽管这些药物在抗炎、延缓疾病进展等方面有一定效果，但其不良反应依旧是一个不可忽视的问题。

 

文章中提到，治疗 RA 的生物药物通常旨在靶向多种炎性细胞因子和通路，包括白细胞介素 - 1 (IL-1)、IL-6 和肿瘤坏死因子 -α (TNF-α)。但大约 40% 的患者对药物治疗没有反应 ，药物还会抑制患者免疫系统，增加感染风险。

 

Guilak 说：“医生经常通过注射或输注抗炎生物药物来治疗类风湿性关节炎患者，但这些药物给药时间长、剂量高，在产生有益作用的同时会引起严重的副作用。一些研究已经发现， IL-1 受体拮抗剂（IL-1Ra）能够减少 RA 关节损伤，但由于其半衰期短，未能成为治疗 RA 的常规药物。”

 

同时，不同的给药途径也会带来相应问题，如糖皮质激素长期口服可能带来如感染、癌症风险上升等不良反应；但频繁采取局部给药 (关节腔内注射) 则会出现持续性疼痛等问题。因此，如何提高 RA 药物治疗的效果以及减少其不良反应已经成为研究热点。

 

而 Guilak 团队则利用合成生物学手段，在诱导多能干细胞 (iPSC) 中设计了一个基因线路（如下图），当白细胞介素 - 1 与细胞膜上的 IL-1 受体结合，就会通过 NF-κB 信号通路，激活趋化因子 Ccl2 启动子，启动下游 IL-1Ra 基因，分泌 IL-1Ra 并释放到细胞外与 IL-1 竞争性结合 IL-1 受体，最终减少细胞免疫反应。

 

图丨基因线路和3D编织物支架（来源：研究论文）

 

在细胞植入阶段，为了更好的让细胞定植，该团队开发了一种 3D 编织支架，植入软骨细胞形成仿真的软骨组织，最终再将工程细胞接种到这一组织中。植入动物体内后，细胞可以存活数月或更长时间，持续发挥治疗作用。

 

“这些被编程的细胞可在皮下或关节中停留数月，当它们感觉到炎症刺激时，就释放生物药物。”Guilak 说。

文章表示，植入的工程细胞可以在体内炎症发作时被激活，解决了注射 IL-1Ra 的方法在体内半衰期短的问题，可作为一种长期药物递送方法，具有重要的临床研究价值。

 

可应用于多种慢性病

 

研究的实验对象选用了炎症性关节炎小鼠小鼠模型，植入了工程细胞复合物后，小鼠的炎症指标降低了约 40%，同时炎症因子对骨的侵蚀也有所减少。

 

（来源：研究论文）

 

研究人员还发现，工程细胞单次被激活所释放的 IL-1Ra 至少能持续 72 小时，而一些研究已经报道的注射型 IL-1Ra 仅能持续数小时。研究人员猜测，这是由于细胞内 IL-1Ra 是通过转录翻译生成的，是一个可持续过程，而外源的 IL-1Ra 更多是一种即用型蛋白药物。

 

文章指出，这项研究的一个不足之处是只做了 40 天的研究，没有进行更长时间的研究。其团队正在寻找能够以更高的密度和更长期存活率封装细胞的生物材料，并计划继续试验 CRISPR-Cas9 和干细胞，制造一种能够响应不同炎症触发因素，并释放出对应生物药物的工程细胞。

 

“干细胞的优势就是能够灵活分化成各种类型的细胞，并可以根据已知的药物靶点，设计基因线路，合成能够治疗各类慢性疾病的细胞。”Guilak 说。

 

合成生物学的基因线路的一大优势是工程化和模块化，此前华东师范大学叶海峰教授在接受生辉 SynBio 的采访时，也提出了类似的概念 ——“智能药物工厂”，通过人工基因线路的设计与编程指导底盘细胞输出多种多样的蛋白药物分子，例如：酶、抗体、激素等，通过不同的指令可以控制细胞释放多种药物进行联合治疗。

 

越来越多细胞疗法的研究开始开发能够感知和动态响应疾病标记的基因线路，提供可精确控制、长期递送药物的系统，基于工程细胞的疗法能否成为医学的下一个前沿？