《細胞》：拍案叫絕！MIT合成生物學大牛利用「基因電路」定位癌細胞並激活免疫系統，開闢免疫治療新方法｜奇點猛科技

壞人一般不會把「壞」字寫在臉上。癌細胞也是。

壞人不僅不會把「壞」字寫在臉上，還會釋放各種煙幕彈，製造自己是好人的假象。癌細胞也是。

這是當下大熱的免疫檢查點抑製劑和CAR-T治療只對有限的癌症患者有效的原因之二。如何解決這兩個問題，也是當下免疫治療領域研究的熱點。

MIT電氣工程和計算機科學學院與生物工程學院副教授，素有「合成生物學領域思想家」的盧冠達（Timothy K. Lu）博士團隊最近也在思考也這個問題。在他們看來，無論癌細胞外表再怎麼光鮮，再怎麼像正常細胞，它們的內心肯定是邪惡的。既然免疫細胞「看臉」不能很好的識別癌細胞，那麼我們就把癌細胞的黑心掏給免疫細胞看。

「合成生物學領域思想家」、跨界達人盧冠達（Timothy K.Lu）

於是，盧冠達藉助自己的合成生物學思想，設計了一個可以通過病毒進入癌細胞內部，並識別癌細胞邪惡內心的「基因電路」。這個基因電路很特殊，在那些控制只在癌細胞內的基因表達的轉錄因子的刺激下，迅速開啟，產生大量免疫信號因子，激活免疫系統，招募免疫細胞殺敵。

通俗的說，就是盧冠達團隊設計的這個基因電路，不僅能夠專門識別癌細胞，而且在識別癌細胞之後還會「大聲叫喊」，叫醒免疫系統，喊來免疫細胞。

奇點糕「吹」得這麼牛，到底有沒有很厲害啊？我們科學家都用實驗說話！在對卵巢癌模型小鼠進行的實驗中，基因電路取得了非常好的效果，與對照組小鼠相比，實驗組小鼠體內的癌細胞幾乎全被消滅了！而且如同理論，正常細胞絲毫沒有受到影響。

這簡直就厲害了！確實厲害。近日，頂級期刊《細胞》雜誌就刊登了盧冠達團隊的這一重要研究成果[1]。

左：不處理的卵巢癌小鼠

中：增加了癌症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，這種基因電路採用了模塊化的設計，就像樂高積木一樣，可以根據實際需求替換關鍵元件。這意味著它不光能隨時「升級換代」，換個識別標記就能用來治療其他癌症甚至免疫疾病，簡直萬能！

確實很厲害啊，那基因電路到底是什麼呢？

大家在初中物理一定都學過簡單電路，開關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」——啟動子（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的基因。當達成某些條件，這組基因電路的啟動子被激活，調控工作元件表達，就能夠實現研究者想要的生物功能。

理科生們，看這題你們還會嗎

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胞的基因電路了嗎[2]？盧冠達團隊帶來的這個基因電路優秀之處在於，一是利用轉錄因子對癌細胞進行識別，更加精準、應用更加廣泛；二是，這是首次把基因電路用在增強免疫反應上。

奇點糕之前曾經介紹過盧冠達，這位年紀輕輕已經站上合成生物學領域高點的80後男神，目前是麻省理工學院合成生物學研究小組負責人。他擁有著計算機、電氣工程、合成生物學、醫學多方面的知識背景，或許正是得益於這種廣闊的視角，他才能大膽地玩跨界，而且屢屢獲得成功。

男神對生物膜也特有研究

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

現在臨床上常常使用一些具有免疫調節作用的因子，例如細胞因子、趨化因子和免疫檢查點抑製劑，來增強免疫系統的功能，以期望能翻越這兩座大山。但是這又帶來了另外的問題——免疫系統的功能是增強了，但也對一些意料之外的新位點產生了作用，連健康的組織也一併幹掉了，這在臨床實驗上導致了嚴重的副作用[4,5]。

於是盧冠達副教授就想啊，要是能找到新方法，簡單快捷地抓住癌細胞的同時，直接在它身上產生免疫調節因子，這些問題不就都解決了嗎。

諸位讀者還真別笑這個想法是「給貓系鈴鐺」，基因電路可不就實現它了嘛。

大家都知道，癌細胞瘋狂增殖，它們的基因表達水平是遠超正常細胞的。抓住了這個特點，盧冠達團隊把轉錄因子（TFs）作為癌症的標誌物，設計了能識別它們的啟動子。比起找個癌細胞表面抗原，找特定癌細胞的轉錄因子可容易多了。

為了更精準地識別癌細胞，研究者在基因電路上安裝了兩個不同的啟動子，做了一個「與門」結構。只有兩個啟動子都認為「有腫瘤！」，整個基因電路才會運作。

從理論上來看，這套基因電路對健康細胞毫無威脅，對癌細胞卻是滅頂之災。因為一旦發現了癌細胞，基因電路運作，就會產生多種免疫因子，激活免疫系統，把癌細胞「一窩端了」。說到這裡，奇點糕就要感嘆一下盧冠達副教授的思慮縝密。這套基因電路能產生的因子包括：表面T細胞結合子（STE），一種細胞表面抗原，是癌細胞的特異性識別位點；趨化因子21（CCL21），可以促進T細胞在癌細胞位點聚集；白介素12（IL12），一種可以增強T細胞活性和功能的細胞因子；PD-1抗體，能夠降低癌細胞對免疫系統的抑制。

任你癌細胞再怎麼狡猾，這四種免疫激活因子分別作用於免疫反應的不同環節，全方位圍剿壞蛋。

兩個啟動子都識別到腫瘤標誌物，基因電路啟動，釋放多種免疫激活因子，吸引免疫細胞聚集、促進對癌細胞的殺傷、避免免疫抑制，這種過程對健康細胞毫無傷害

「我們認為，現在首要的是對腫瘤位點進行精準的免疫打擊，而不是對整個機體系統的治療，」盧冠達副教授如是說，「其次，我們想要一次性產生多種免疫調節劑，這樣能夠從多種角度調節免疫系統。」

在體外、體內實驗中，研究者們確實也達到了預想的效果。結果顯示，基因電路能夠「分辨」癌細胞和健康細胞，引導免疫系統精準攻擊癌細胞，毫不影響其他非致癌性的健康細胞，對癌細胞的殺滅效果也非常好。

奇點糕都興奮起來了！這簡直太厲害了啊！研究者們倒是很冷靜地表示，這項研究還有很多不足的地方，主要是實驗中使用到的癌細胞和T細胞都來自人類，宿主則是小鼠，這在一定程度上限制了對安全性和有效性的評價。不過他們已經定好了下一步目標，將在其他幾種模式動物上重複實驗，以得到更可靠的數據。

另外就是實驗中使用了慢病毒作為基因電路的載體，只有15%的癌細胞中有正常工作的基因電路。將來他們會嘗試其他的載體，提高轉化效率，如溶瘤病毒（其實奇點糕想說，15%就能有這麼好的療效，再優化一下豈不是要上天）。

目前盧冠達團隊進行了卵巢癌相關的實驗，還成功合成了乳腺癌相關的啟動子。研究者表示，他們計劃在一系列癌症中測試基因電路的威力，最終還有希望使用基因電路治療其他免疫相關疾病，如風濕性關節炎、炎症性腸病和其他自身免疫性疾病。

參考資料：

[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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