Cell：80后MIT合成生物学副教授开辟免疫治疗新方法

坏人一般不会把「坏」字写在脸上。癌细胞也是。

坏人不仅不会把「坏」字写在脸上，还会释放各种烟幕弹，制造自己是好人的假象。癌细胞也是。

这是当下大热的免疫检查点抑制剂和CAR-T治疗只对有限的癌症患者有效的原因之二。如何解决这两个问题，也是当下免疫治疗领域研究的热点。

MIT电气工程和计算机科学学院与生物工程学院副教授，素有「合成生物学领域思想家」的卢冠达（Timothy K. Lu）博士团队最近也在思考也这个问题。在他们看来，无论癌细胞外表再怎么光鲜，再怎么像正常细胞，它们的内心肯定是邪恶的。既然免疫细胞「看脸」不能很好的识别癌细胞，那么我们就把癌细胞的黑心掏给免疫细胞看。

「合成生物学领域思想家」、跨界达人卢冠达（Timothy K.Lu）

于是，卢冠达借助自己的合成生物学思想，设计了一个可以通过病毒进入癌细胞内部，并识别癌细胞邪恶内心的「基因电路」。这个基因电路很特殊，在那些控制只在癌细胞内的基因表达的转录因子的刺激下，迅速开启，产生大量免疫信号因子，激活免疫系统，招募免疫细胞杀敌。

通俗的说，就是卢冠达团队设计的这个基因电路，不仅能够专门识别癌细胞，而且在识别癌细胞之后还会「大声叫喊」，叫醒免疫系统，喊来免疫细胞。

在对卵巢癌模型小鼠进行的实验中，基因电路取得了非常好的效果，与对照组小鼠相比，实验组小鼠体内的癌细胞几乎全被消灭了！而且如同理论，正常细胞丝毫没有受到影响。

近日，顶级期刊《细胞》杂志就刊登了卢冠达团队的这一重要研究成果[1]。

左：不处理的卵巢癌小鼠

中：增加了癌症特异性抗原的卵巢癌小鼠

右：使用基因电路的卵巢癌小鼠

同时，这种基因电路采用了模块化的设计，就像乐高积木一样，可以根据实际需求替换关键元件。这意味着它不光能随时「升级换代」，换个识别标记就能用来治疗其他癌症甚至免疫疾病。

那基因电路到底是什么呢？

大家在初中物理一定都学过简单电路，开关控制着小灯泡的明灭。所谓的“基因电路”倒不是真的电路，它是一组按照一定逻辑编辑的基因，分为「开关」——启动子（promoter）和「灯泡」——工作元件（circuit component）。这些工作元件一般来说是一些编码蛋白质的基因。当达成某些条件，这组基因电路的启动子被激活，调控工作元件表达，就能够实现研究者想要的生物功能。

理科生们，看这题你们还会吗

看上去也没啥特别的啊，不是早就有研究者做出了能靶向癌细胞的基因电路了吗[2]？卢冠达团队带来的这个基因电路优秀之处在于，一是利用转录因子对癌细胞进行识别，更加精准、应用更加广泛；二是，这是首次把基因电路用在增强免疫反应上。

卢冠达博士年纪轻轻已经站上合成生物学领域高点的80后男神，目前是麻省理工学院合成生物学研究小组负责人。他拥有着计算机、电气工程、合成生物学、医学多方面的知识背景，或许正是得益于这种广阔的视角，他才能大胆地玩跨界，而且屡屡获得成功。

男神对生物膜也特有研究

在理想条件下，免疫治疗应该识别那些只表达在癌细胞表面的细胞表面抗原，以免误伤正常细胞，但实际上，这种高专一性的抗原非常难找[3]。除此之外，肿瘤还会利用一些特殊的位点（例如PD-1）来抑制免疫反应，大模大样地逍遥法外。

现在临床上常常使用一些具有免疫调节作用的因子，例如细胞因子、趋化因子和免疫检查点抑制剂，来增强免疫系统的功能，以期望能翻越这两座大山。但是这又带来了另外的问题——免疫系统的功能是增强了，但也对一些意料之外的新位点产生了作用，连健康的组织也一并干掉了，这在临床实验上导致了严重的副作用[4,5]。

于是卢冠达副教授就想啊，要是能找到新方法，简单快捷地抓住癌细胞的同时，直接在它身上产生免疫调节因子，这些问题不就都解决了吗。

诸位读者还真别笑这个想法是「给猫系铃铛」，基因电路可不就实现它了嘛。

大家都知道，癌细胞疯狂增殖，它们的基因表达水平是远超正常细胞的。抓住了这个特点，卢冠达团队把转录因子（TFs）作为癌症的标志物，设计了能识别它们的启动子。比起找个癌细胞表面抗原，找特定癌细胞的转录因子可容易多了。

为了更精准地识别癌细胞，研究者在基因电路上安装了两个不同的启动子，做了一个「与门」结构。只有两个启动子都认为「有肿瘤！」，整个基因电路才会运作。

从理论上来看，这套基因电路对健康细胞毫无威胁，对癌细胞却是灭顶之灾。因为一旦发现了癌细胞，基因电路运作，就会产生多种免疫因子，激活免疫系统，把癌细胞「一窝端了」。这套基因电路能产生的因子包括：表面T细胞结合子（STE），一种细胞表面抗原，是癌细胞的特异性识别位点；趋化因子21（CCL21），可以促进T细胞在癌细胞位点聚集；白介素12（IL12），一种可以增强T细胞活性和功能的细胞因子；PD-1抗体，能够降低癌细胞对免疫系统的抑制。

任你癌细胞再怎么狡猾，这四种免疫激活因子分别作用于免疫反应的不同环节，全方位围剿坏蛋。

两个启动子都识别到肿瘤标志物，基因电路启动，释放多种免疫激活因子，吸引免疫细胞聚集、促进对癌细胞的杀伤、避免免疫抑制，这种过程对健康细胞毫无伤害

「我们认为，现在首要的是对肿瘤位点进行精准的免疫打击，而不是对整个机体系统的治疗，」卢冠达副教授如是说，「其次，我们想要一次性产生多种免疫调节剂，这样能够从多种角度调节免疫系统。」

在体外、体内实验中，研究者们确实也达到了预想的效果。结果显示，基因电路能够“分辨”癌细胞和健康细胞，引导免疫系统精准攻击癌细胞，毫不影响其他非致癌性的健康细胞，对癌细胞的杀灭效果也非常好。

研究者们认为这项研究还有很多不足的地方，主要是实验中使用到的癌细胞和T细胞都来自人类，宿主则是小鼠，这在一定程度上限制了对安全性和有效性的评价。不过他们已经定好了下一步目标，将在其他几种模式动物上重复实验，以得到更可靠的数据。

另外就是实验中使用了慢病毒作为基因电路的载体，只有15%的癌细胞中有正常工作的基因电路。将来他们会尝试其他的载体，提高转化效率，如溶瘤病毒

目前卢冠达团队进行了卵巢癌相关的实验，还成功合成了乳腺癌相关的启动子。研究者表示，他们计划在一系列癌症中测试基因电路的威力，最终还有希望使用基因电路治疗其他免疫相关疾病，如风湿性关节炎、炎症性肠病和其他自身免疫性疾病。

参考资料：

[1]http://www.cell.com/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.

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