2021-09-08
基于合成生物學的可控基因邏輯線路，正在逐漸被應用于細胞療法中。
近日，圣路易斯華盛頓大學醫學院再生醫學中心聯合主任 Farshid Guilak 團隊，在 Science Advances 上刊文，介紹了一種利用合成生物學手段設計的植入式基因工程細胞復合物，可在炎癥因子刺激下分泌抗細胞因子藥物，治療炎癥性關節炎。
Guilak 在社交媒體上表示，這篇文章結合了合成生物學和組織工程學技術，開發了一種可感知炎癥并按需遞送藥物的植入系統。
圖丨研究論文
Farshid Guilak 團隊長期關注 3 個領域：肥胖、炎癥和骨關節炎；軟骨中機械性信號轉導的機械生物學和機制；骨關節炎的干細胞療法。
自動感應給藥
類風濕性關節炎 (rheumatoid arthritis，RA) 是一種累及周圍關節為主的慢性、對稱性、進行性自身免疫炎癥性疾病，流行病學調查顯示，全世界 0.5%～1% 的人口患有 RA，我國的發病率約為 0.42%。
隨著治療水平的進步，越來越多的 RA 治療藥物出現，主要包括非甾體類抗炎藥 (NSAIDs)、改善病情抗風濕藥物 (DMARDs)、糖皮質激素以及生物制劑等。盡管這些藥物在抗炎、延緩疾病進展等方面有一定效果，但其不良反應依舊是一個不可忽視的問題。
文章中提到，治療 RA 的生物藥物通常旨在靶向多種炎性細胞因子和通路，包括白細胞介素 - 1 (IL-1)、IL-6 和腫瘤壞死因子 -α (TNF-α)。但大約 40% 的患者對藥物治療沒有反應 ，藥物還會抑制患者免疫系統，增加感染風險。
Guilak 說：“醫生經常通過注射或輸注抗炎生物藥物來治療類風濕性關節炎患者，但這些藥物給藥時間長、劑量高，在產生有益作用的同時會引起嚴重的副作用。一些研究已經發現， IL-1 受體拮抗劑（IL-1Ra）能夠減少 RA 關節損傷，但由于其半衰期短，未能成為治療 RA 的常規藥物。”
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、癌癥風險上升等不良反應；但頻繁采取局部給藥 (關節腔內注射) 則會出現持續性疼痛等問題。因此，如何提高 RA 藥物治療的效果以及減少其不良反應已經成為研究熱點。
而 Guilak 團隊則利用合成生物學手段，在誘導多能干細胞 (iPSC) 中設計了一個基因線路（如下圖），當白細胞介素 - 1 與細胞膜上的 IL-1 受體結合，就會通過 NF-κB 信號通路，激活趨化因子 Ccl2 啟動子，啟動下游 IL-1Ra 基因，分泌 IL-1Ra 并釋放到細胞外與 IL-1 競爭性結合 IL-1 受體，最終減少細胞免疫反應。
圖丨基因線路和3D編織物支架（來源：研究論文）
在細胞植入階段，為了更好的讓細胞定植，該團隊開發了一種 3D 編織支架，植入軟骨細胞形成仿真的軟骨組織，最終再將工程細胞接種到這一組織中。植入動物體內后，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或關節中停留數月，當它們感覺到炎癥刺激時，就釋放生物藥物。”Guilak 說。
文章表示，植入的工程細胞可以在體內炎癥發作時被激活，解決了注射 IL-1Ra 的方法在體內半衰期短的問題，可作為一種長期藥物遞送方法，具有重要的臨床研究價值。
可應用于多種慢性病
研究的實驗對象選用了炎癥性關節炎小鼠小鼠模型，植入了工程細胞復合物后，小鼠的炎癥指標降低了約 40%，同時炎癥因子對骨的侵蝕也有所減少。
（來源：研究論文）
研究人員還發現，工程細胞單次被激活所釋放的 IL-1Ra 至少能持續 72 小時，而一些研究已經報道的注射型 IL-1Ra 僅能持續數小時。研究人員猜測，這是由于細胞內 IL-1Ra 是通過轉錄翻譯生成的，是一個可持續過程，而外源的 IL-1Ra 更多是一種即用型蛋白藥物。
文章指出，這項研究的一個不足之處是只做了 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物材料，并計劃繼續試驗 CRISPR-Cas9 和干細胞，制造一種能夠響應不同炎癥觸發因素，并釋放出對應生物藥物的工程細胞。
“干細胞的優勢就是能夠靈活分化成各種類型的細胞，并可以根據已知的藥物靶點，設計基因線路，合成能夠治療各類慢性疾病的細胞。”Guilak 說。
合成生物學的基因線路的一大優勢是工程化和模塊化，此前華東師范大學葉海峰教授在接受生輝 SynBio 的采訪時，也提出了類似的概念 ——“智能藥物工廠”，通過人工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藥物分子，例如：酶、抗體、激素等，通過不同的指令可以控制細胞釋放多種藥物進行聯合治療。
越來越多細胞療法的研究開始開發能夠感知和動態響應疾病標記的基因線路，提供可精確控制、長期遞送藥物的系統，基于工程細胞的療法能否成為醫學的下一個前沿？
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