壞人一般不會(huì)把「壞」字寫在臉上。癌細(xì)胞也是。

壞人不僅不會(huì)把「壞」字寫在臉上，還會(huì)釋放各種煙幕彈，制造自己是好人的假象。癌細(xì)胞也是。

這是當(dāng)下大熱的免疫檢查點(diǎn)抑制劑和CAR-T治療只對(duì)有限的癌癥患者有效的原因之二。如何解決這兩個(gè)問題，也是當(dāng)下免疫治療領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

MIT電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院與生物工程學(xué)院副教授，素有「合成生物學(xué)領(lǐng)域思想家」的盧冠達(dá)（Timothy K. Lu）博士團(tuán)隊(duì)最近也在思考也這個(gè)問題。在他們看來，無論癌細(xì)胞外表再怎么光鮮，再怎么像正常細(xì)胞，它們的內(nèi)心肯定是邪惡的。既然免疫細(xì)胞「看臉」不能很好的識(shí)別癌細(xì)胞，那么我們就把癌細(xì)胞的黑心掏給免疫細(xì)胞看。

「合成生物學(xué)領(lǐng)域思想家」、跨界達(dá)人盧冠達(dá)（Timothy K.Lu）

于是，盧冠達(dá)借助自己的合成生物學(xué)思想，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以通過病毒進(jìn)入癌細(xì)胞內(nèi)部，并識(shí)別癌細(xì)胞邪惡內(nèi)心的「基因電路」。這個(gè)基因電路很特殊，在那些控制只在癌細(xì)胞內(nèi)的基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子的刺激下，迅速開啟，產(chǎn)生大量免疫信號(hào)因子，激活免疫系統(tǒng)，招募免疫細(xì)胞殺敵。

通俗的說，就是盧冠達(dá)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的這個(gè)基因電路，不僅能夠?qū)ｉT識(shí)別癌細(xì)胞，而且在識(shí)別癌細(xì)胞之后還會(huì)「大聲叫喊」，叫醒免疫系統(tǒng)，喊來免疫細(xì)胞。

奇點(diǎn)糕「吹」得這么牛，到底有沒有很厲害??？我們科學(xué)家都用實(shí)驗(yàn)說話！在對(duì)卵巢癌模型小鼠進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，基因電路取得了非常好的效果，與對(duì)照組小鼠相比，實(shí)驗(yàn)組小鼠體內(nèi)的癌細(xì)胞幾乎全被消滅了！而且如同理論，正常細(xì)胞絲毫沒有受到影響。

這簡(jiǎn)直就厲害了！確實(shí)厲害。近日，頂級(jí)期刊《細(xì)胞》雜志就刊登了盧冠達(dá)團(tuán)隊(duì)的這一重要研究成果[1]。

左：不處理的卵巢癌小鼠

中：增加了癌癥特異性抗原的卵巢癌小鼠

右：使用基因電路的卵巢癌小鼠

同時(shí)，這種基因電路采用了模塊化的設(shè)計(jì)，就像樂高積木一樣，可以根據(jù)實(shí)際需求替換關(guān)鍵元件。這意味著它不光能隨時(shí)「升級(jí)換代」，換個(gè)識(shí)別標(biāo)記就能用來治療其他癌癥甚至免疫疾病，簡(jiǎn)直萬能！

確實(shí)很厲害啊，那基因電路到底是什么呢？

大家在初中物理一定都學(xué)過簡(jiǎn)單電路，開關(guān)控制著小燈泡的明滅。所謂的“基因電路”倒不是真的電路，它是一組按照一定邏輯編輯的基因，分為「開關(guān)」——啟動(dòng)子（promoter）和「燈泡」——工作元件（circuit component）。這些工作元件一般來說是一些編碼蛋白質(zhì)的基因。當(dāng)達(dá)成某些條件，這組基因電路的啟動(dòng)子被激活，調(diào)控工作元件表達(dá)，就能夠?qū)崿F(xiàn)研究者想要的生物功能。

理科生們，看這題你們還會(huì)嗎

看上去也沒啥特別的啊，不是早就有研究者做出了能靶向癌細(xì)胞的基因電路了嗎[2]？盧冠達(dá)團(tuán)隊(duì)帶來的這個(gè)基因電路優(yōu)秀之處在于，一是利用轉(zhuǎn)錄因子對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行識(shí)別，更加精準(zhǔn)、應(yīng)用更加廣泛；二是，這是首次把基因電路用在增強(qiáng)免疫反應(yīng)上。

奇點(diǎn)糕之前曾經(jīng)介紹過盧冠達(dá)，這位年紀(jì)輕輕已經(jīng)站上合成生物學(xué)領(lǐng)域高點(diǎn)的80后男神，目前是麻省理工學(xué)院合成生物學(xué)研究小組負(fù)責(zé)人。他擁有著計(jì)算機(jī)、電氣工程、合成生物學(xué)、醫(yī)學(xué)多方面的知識(shí)背景，或許正是得益于這種廣闊的視角，他才能大膽地玩跨界，而且屢屢獲得成功。

男神對(duì)生物膜也特有研究

在理想條件下，免疫治療應(yīng)該識(shí)別那些只表達(dá)在癌細(xì)胞表面的細(xì)胞表面抗原，以免誤傷正常細(xì)胞，但實(shí)際上，這種高專一性的抗原非常難找[3]。除此之外，腫瘤還會(huì)利用一些特殊的位點(diǎn)（例如PD-1）來抑制免疫反應(yīng)，大模大樣地逍遙法外。

現(xiàn)在臨床上常常使用一些具有免疫調(diào)節(jié)作用的因子，例如細(xì)胞因子、趨化因子和免疫檢查點(diǎn)抑制劑，來增強(qiáng)免疫系統(tǒng)的功能，以期望能翻越這兩座大山。但是這又帶來了另外的問題——免疫系統(tǒng)的功能是增強(qiáng)了，但也對(duì)一些意料之外的新位點(diǎn)產(chǎn)生了作用，連健康的組織也一并干掉了，這在臨床實(shí)驗(yàn)上導(dǎo)致了嚴(yán)重的副作用[4,5]。

于是盧冠達(dá)副教授就想啊，要是能找到新方法，簡(jiǎn)單快捷地抓住癌細(xì)胞的同時(shí)，直接在它身上產(chǎn)生免疫調(diào)節(jié)因子，這些問題不就都解決了嗎。

諸位讀者還真別笑這個(gè)想法是「給貓系鈴鐺」，基因電路可不就實(shí)現(xiàn)它了嘛。

大家都知道，癌細(xì)胞瘋狂增殖，它們的基因表達(dá)水平是遠(yuǎn)超正常細(xì)胞的。抓住了這個(gè)特點(diǎn)，盧冠達(dá)團(tuán)隊(duì)把轉(zhuǎn)錄因子（TFs）作為癌癥的標(biāo)志物，設(shè)計(jì)了能識(shí)別它們的啟動(dòng)子。比起找個(gè)癌細(xì)胞表面抗原，找特定癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄因子可容易多了。

為了更精準(zhǔn)地識(shí)別癌細(xì)胞，研究者在基因電路上安裝了兩個(gè)不同的啟動(dòng)子，做了一個(gè)「與門」結(jié)構(gòu)。只有兩個(gè)啟動(dòng)子都認(rèn)為「有腫瘤！」，整個(gè)基因電路才會(huì)運(yùn)作。

從理論上來看，這套基因電路對(duì)健康細(xì)胞毫無威脅，對(duì)癌細(xì)胞卻是滅頂之災(zāi)。因?yàn)橐坏┌l(fā)現(xiàn)了癌細(xì)胞，基因電路運(yùn)作，就會(huì)產(chǎn)生多種免疫因子，激活免疫系統(tǒng)，把癌細(xì)胞「一窩端了」。說到這里，奇點(diǎn)糕就要感嘆一下盧冠達(dá)副教授的思慮縝密。這套基因電路能產(chǎn)生的因子包括：表面T細(xì)胞結(jié)合子（STE），一種細(xì)胞表面抗原，是癌細(xì)胞的特異性識(shí)別位點(diǎn)；趨化因子21（CCL21），可以促進(jìn)T細(xì)胞在癌細(xì)胞位點(diǎn)聚集；白介素12（IL12），一種可以增強(qiáng)T細(xì)胞活性和功能的細(xì)胞因子；PD-1抗體，能夠降低癌細(xì)胞對(duì)免疫系統(tǒng)的抑制。

任你癌細(xì)胞再怎么狡猾，這四種免疫激活因子分別作用于免疫反應(yīng)的不同環(huán)節(jié)，全方位圍剿壞蛋。

兩個(gè)啟動(dòng)子都識(shí)別到腫瘤標(biāo)志物，基因電路啟動(dòng)，釋放多種免疫激活因子，吸引免疫細(xì)胞聚集、促進(jìn)對(duì)癌細(xì)胞的殺傷、避免免疫抑制，這種過程對(duì)健康細(xì)胞毫無傷害

「我們認(rèn)為，現(xiàn)在首要的是對(duì)腫瘤位點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)的免疫打擊，而不是對(duì)整個(gè)機(jī)體系統(tǒng)的治療，」盧冠達(dá)副教授如是說，「其次，我們想要一次性產(chǎn)生多種免疫調(diào)節(jié)劑，這樣能夠從多種角度調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。」

在體外、體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，研究者們確實(shí)也達(dá)到了預(yù)想的效果。結(jié)果顯示，基因電路能夠“分辨”癌細(xì)胞和健康細(xì)胞，引導(dǎo)免疫系統(tǒng)精準(zhǔn)攻擊癌細(xì)胞，毫不影響其他非致癌性的健康細(xì)胞，對(duì)癌細(xì)胞的殺滅效果也非常好。

奇點(diǎn)糕都興奮起來了！這簡(jiǎn)直太厲害了??！研究者們倒是很冷靜地表示，這項(xiàng)研究還有很多不足的地方，主要是實(shí)驗(yàn)中使用到的癌細(xì)胞和T細(xì)胞都來自人類，宿主則是小鼠，這在一定程度上限制了對(duì)安全性和有效性的評(píng)價(jià)。不過他們已經(jīng)定好了下一步目標(biāo)，將在其他幾種模式動(dòng)物上重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以得到更可靠的數(shù)據(jù)。

另外就是實(shí)驗(yàn)中使用了慢病毒作為基因電路的載體，只有15%的癌細(xì)胞中有正常工作的基因電路。將來他們會(huì)嘗試其他的載體，提高轉(zhuǎn)化效率，如溶瘤病毒（其實(shí)奇點(diǎn)糕想說，15%就能有這么好的療效，再優(yōu)化一下豈不是要上天）。

目前盧冠達(dá)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了卵巢癌相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，還成功合成了乳腺癌相關(guān)的啟動(dòng)子。研究者表示，他們計(jì)劃在一系列癌癥中測(cè)試基因電路的威力，最終還有希望使用基因電路治療其他免疫相關(guān)疾病，如風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、炎癥性腸病和其他自身免疫性疾病。

參考資料：

[1]http://www./cell/fulltext/S0092-8674(17)31143-1

[2] Liu, Y., Zeng, Y., Liu, L., Zhuang, C., Fu, X., Huang, W., and Cai, Z. (2014). Synthesizing AND gate genetic circuits based on CRISPR-Cas9 for identification of bladder cancer cells. Nat. Commun. 5, 5393.

[3] Klebanoff, C.A., Rosenberg, S.A., and Restifo, N.P. (2016). Prospects for gene-engineered T cell immunotherapy for solid cancers. Nat. Med. 22, 26–36.

[4]Lasek, W., Zagozd_ zon, R., and Jakobisiak, M. (2014). Interleukin 12: still a _promising candidate for tumor immunotherapy? Cancer Immunol. Immunother.

63, 419–435.

[5]Lengyel, E., Burdette, J.E., Kenny, H.A., Matei, D., Pilrose, J., Haluska, P.,Nephew, K.P., Hales, D.B., and Stack, M.S. (2014). Epithelial ovarian cancer experimental models. Oncogene 33, 3619–3633.