2021-09-08
基于合成生物學(xué)的可控基因邏輯線路，正在逐漸被應(yīng)用于細(xì)胞療法中。
近日，圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院再生醫(yī)學(xué)中心聯(lián)合主任 Farshid Guilak 團(tuán)隊(duì)，在 Science Advances 上刊文，介紹了一種利用合成生物學(xué)手段設(shè)計(jì)的植入式基因工程細(xì)胞復(fù)合物，可在炎癥因子刺激下分泌抗細(xì)胞因子藥物，治療炎癥性關(guān)節(jié)炎。
Guilak 在社交媒體上表示，這篇文章結(jié)合了合成生物學(xué)和組織工程學(xué)技術(shù)，開發(fā)了一種可感知炎癥并按需遞送藥物的植入系統(tǒng)。
圖丨研究論文
Farshid Guilak 團(tuán)隊(duì)長期關(guān)注 3 個(gè)領(lǐng)域：肥胖、炎癥和骨關(guān)節(jié)炎；軟骨中機(jī)械性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)械生物學(xué)和機(jī)制；骨關(guān)節(jié)炎的干細(xì)胞療法。
自動(dòng)感應(yīng)給藥
類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎 (rheumatoid arthritis，RA) 是一種累及周圍關(guān)節(jié)為主的慢性、對稱性、進(jìn)行性自身免疫炎癥性疾病，流行病學(xué)調(diào)查顯示，全世界 0.5%～1% 的人口患有 RA，我國的發(fā)病率約為 0.42%。
隨著治療水平的進(jìn)步，越來越多的 RA 治療藥物出現(xiàn)，主要包括非甾體類抗炎藥 (NSAIDs)、改善病情抗風(fēng)濕藥物 (DMARDs)、糖皮質(zhì)激素以及生物制劑等。盡管這些藥物在抗炎、延緩疾病進(jìn)展等方面有一定效果，但其不良反應(yīng)依舊是一個(gè)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(xì)胞因子和通路，包括白細(xì)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(yīng) ，藥物還會(huì)抑制患者免疫系統(tǒng)，增加感染風(fēng)險(xiǎn)。
Guilak 說：“醫(yī)生經(jīng)常通過注射或輸注抗炎生物藥物來治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者，但這些藥物給藥時(shí)間長、劑量高，在產(chǎn)生有益作用的同時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的副作用。一些研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， IL-1 受體拮抗劑（IL-1Ra）能夠減少 RA 關(guān)節(jié)損傷，但由于其半衰期短，未能成為治療 RA 的常規(guī)藥物。”
同時(shí)，不同的給藥途徑也會(huì)帶來相應(yīng)問題，如糖皮質(zhì)激素長期口服可能帶來如感染、癌癥風(fēng)險(xiǎn)上升等不良反應(yīng)；但頻繁采取局部給藥 (關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射) 則會(huì)出現(xiàn)持續(xù)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(yīng)已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。
而 Guilak 團(tuán)隊(duì)則利用合成生物學(xué)手段，在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞 (iPSC) 中設(shè)計(jì)了一個(gè)基因線路（如下圖），當(dāng)白細(xì)胞介素 - 1 與細(xì)胞膜上的 IL-1 受體結(jié)合，就會(huì)通過 NF-κB 信號通路，激活趨化因子 Ccl2 啟動(dòng)子，啟動(dòng)下游 IL-1Ra 基因，分泌 IL-1Ra 并釋放到細(xì)胞外與 IL-1 競爭性結(jié)合 IL-1 受體，最終減少細(xì)胞免疫反應(yīng)。
圖丨基因線路和3D編織物支架（來源：研究論文）
在細(xì)胞植入階段，為了更好的讓細(xì)胞定植，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種 3D 編織支架，植入軟骨細(xì)胞形成仿真的軟骨組織，最終再將工程細(xì)胞接種到這一組織中。植入動(dòng)物體內(nèi)后，細(xì)胞可以存活數(shù)月或更長時(shí)間，持續(xù)發(fā)揮治療作用。
“這些被編程的細(xì)胞可在皮下或關(guān)節(jié)中停留數(shù)月，當(dāng)它們感覺到炎癥刺激時(shí)，就釋放生物藥物。”Guilak 說。
文章表示，植入的工程細(xì)胞可以在體內(nèi)炎癥發(fā)作時(shí)被激活，解決了注射 IL-1Ra 的方法在體內(nèi)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(jià)值。
可應(yīng)用于多種慢性病
研究的實(shí)驗(yàn)對象選用了炎癥性關(guān)節(jié)炎小鼠小鼠模型，植入了工程細(xì)胞復(fù)合物后，小鼠的炎癥指標(biāo)降低了約 40%，同時(shí)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(fā)現(xiàn)，工程細(xì)胞單次被激活所釋放的 IL-1Ra 至少能持續(xù) 72 小時(shí)，而一些研究已經(jīng)報(bào)道的注射型 IL-1Ra 僅能持續(xù)數(shù)小時(shí)。研究人員猜測，這是由于細(xì)胞內(nèi) IL-1Ra 是通過轉(zhuǎn)錄翻譯生成的，是一個(gè)可持續(xù)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(xiàng)研究的一個(gè)不足之處是只做了 40 天的研究，沒有進(jìn)行更長時(shí)間的研究。其團(tuán)隊(duì)正在尋找能夠以更高的密度和更長期存活率封裝細(xì)胞的生物材料，并計(jì)劃繼續(xù)試驗(yàn) CRISPR-Cas9 和干細(xì)胞，制造一種能夠響應(yīng)不同炎癥觸發(fā)因素，并釋放出對應(yīng)生物藥物的工程細(xì)胞。
“干細(xì)胞的優(yōu)勢就是能夠靈活分化成各種類型的細(xì)胞，并可以根據(jù)已知的藥物靶點(diǎn)，設(shè)計(jì)基因線路，合成能夠治療各類慢性疾病的細(xì)胞。”Guilak 說。
合成生物學(xué)的基因線路的一大優(yōu)勢是工程化和模塊化，此前華東師范大學(xué)葉海峰教授在接受生輝 SynBio 的采訪時(shí)，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(shè)計(jì)與編程指導(dǎo)底盤細(xì)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(xì)胞釋放多種藥物進(jìn)行聯(lián)合治療。
越來越多細(xì)胞療法的研究開始開發(fā)能夠感知和動(dòng)態(tài)響應(yīng)疾病標(biāo)記的基因線路，提供可精確控制、長期遞送藥物的系統(tǒng)，基于工程細(xì)胞的療法能否成為醫(yī)學(xué)的下一個(gè)前沿？
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