应用领域 Application 合成生物学的医学应用研究进展 崔金明王力为2常志广臧中盛刘陈立 1中国科学院深圳先进技术研究院深圳518055 2中国科学院前沿科学与教育局北京100864 摘要在医学应用领域,合成生物学以人工设计的基因线路改造人体自身细胞,或改造细菌、病毒等人工生命体, 再使其间接作用于人体。这些经人工设计的生命体能够感知疾病特异信号或人工信号、特异性靶向异常细胞和病 灶区域、表达报告分子或释放治疗药物,从而实现对人体生理状态的监测,以及对肿瘤、代谢疾病、耐药菌感染 等典型疾病的诊断与治疗。文章将综述了合成生物学的医学应用领域近期的一些研究进展。 关键词人工细胞,人工细菌,人工病毒,人工噬菌体 DOI10.16418/issn.1000-30452018.11.010 当前,国际合成生物学领域呈现出学科和产业飞速点,将提升人们对肿瘤、代谢疾病、耐药菌感染等顽疾 发展、齐头并进的新局面。合成生物学这一学科的首要特的诊断、治疗和预防水平,从而发挥合成生物学技术的 征便是系统化地采用工程手段,有目的地设计人工生命体颠覆性优势,有望开创智能生物诊疗的新时代。近期的 系,其研究范围涵盖较广。其中,合成生物学技术的医学一些研究进展综述如下。 转化应用研究受到了科技界和医学界的广泛关注。 在医学应用领域,合成生物学以人工设计的基因 1细菌、病毒等人工生命体的设计改造 线路改造人体自身细胞,或改造细菌、病毒等人工生命1.1人工细菌的诊疗应用 体,再使其间接作用于人体。这些经人工设计的生命体 细菌作为人类体内与体表最常见、数量最多的外源 能够感知疾病特异信号或人工信号、特异性靶向异常细生物,从人类岀生到死亡,细菌时时刻刻都与人的新陈 胞和病灶区域、表达报告分子或释放治疗药物,从而实代谢、免疫和衰老产生着千丝万缕的联系。以大肠杆菌 现对人体生理状态的监测以及对典型疾病的诊断与治等模式微生物为代表,细菌因其较易培养、结构相对简 疗。人工生命体因其智能性、复杂性和安全可控性等优单、研究较为透彻和易于基因编辑等特点成为合成生物 通讯作者 资助项目:中国科学院重点部署项目( KFZD.SW-216),中国科学院青年创新促进会(2016325),深圳市科创委基础研究 (CY20170818164139781),孔雀团队项目(KQID2015033117210153),广州市民生科技攻关计划(201803020035) 修改稿收到日期:2018年10月28日 12182018年·第33卷·第11期
1218 2018 年 . 第 33 卷 . 第 11 期 合成生物学的医学应用研究进展 崔金明1 王力为2 常志广1 臧中盛1 刘陈立1* 1 中国科学院深圳先进技术研究院 深圳 518055 2 中国科学院 前沿科学与教育局 北京 100864 摘要 在医学应用领域，合成生物学以人工设计的基因线路改造人体自身细胞，或改造细菌、病毒等人工生命体， 再使其间接作用于人体。这些经人工设计的生命体能够感知疾病特异信号或人工信号、特异性靶向异常细胞和病 灶区域、表达报告分子或释放治疗药物，从而实现对人体生理状态的监测，以及对肿瘤、代谢疾病、耐药菌感染 等典型疾病的诊断与治疗。文章将综述了合成生物学的医学应用领域近期的一些研究进展。 关键词 人工细胞，人工细菌，人工病毒，人工噬菌体 DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2018.11.010 *通讯作者 资助项目：中国科学院重点部署项目（KFZD-SW-216），中国科学院青年创新促进会（2016325），深圳市科创委基础研究 （JCYJ20170818164139781），孔雀团队项目（KQTD2015033117210153），广州市民生科技攻关计划（201803020035） 修改稿收到日期：2018年10月28日 应用领域 Application 当前，国际合成生物学领域呈现出学科和产业飞速 发展、齐头并进的新局面。合成生物学这一学科的首要特 征便是系统化地采用工程手段，有目的地设计人工生命体 系，其研究范围涵盖较广。其中，合成生物学技术的医学 转化应用研究受到了科技界和医学界的广泛关注。 在医学应用领域，合成生物学以人工设计的基因 线路改造人体自身细胞，或改造细菌、病毒等人工生命 体，再使其间接作用于人体。这些经人工设计的生命体 能够感知疾病特异信号或人工信号、特异性靶向异常细 胞和病灶区域、表达报告分子或释放治疗药物，从而实 现对人体生理状态的监测以及对典型疾病的诊断与治 疗。人工生命体因其智能性、复杂性和安全可控性等优 点，将提升人们对肿瘤、代谢疾病、耐药菌感染等顽疾 的诊断、治疗和预防水平，从而发挥合成生物学技术的 颠覆性优势，有望开创智能生物诊疗的新时代。近期的 一些研究进展综述如下。 1 细菌、病毒等人工生命体的设计改造 1.1 人工细菌的诊疗应用 细菌作为人类体内与体表最常见、数量最多的外源 生物，从人类出生到死亡，细菌时时刻刻都与人的新陈 代谢、免疫和衰老产生着千丝万缕的联系。以大肠杆菌 等模式微生物为代表，细菌因其较易培养、结构相对简 单、研究较为透彻和易于基因编辑等特点成为合成生物
合成生物学的医学应用研究进展 学研究与开发中较理想的底盘。近年来,合成生物学家液颜色变化,从而对小鼠是否患瘤及肿瘤状态进行初步 通过精巧设计并构建智能基因线路,已在人体常在菌及推测。研究人员发现这一手段比常规显微镜检测更加灵 些致病菌中实现了计算、感知、记忆、响应等功能,敏,能够检出直径小于1cm的肿瘤中 并将其应用于医学研究与疾病诊疗,以期满足医学领域 加州大学圣地亚哥分校与麻省理工学院团队构建 的特殊需求 了细菌周期性同步的药物合成和裂解释放系统。团队设 1.1.1人工细菌用于肿瘤诊疗 计了基于群体感应的基因线路,让细菌在肿瘤环境内生 基于合成生物学技术的细菌工程化改造为肿瘤治疗长达到一定浓度阈值后自毁,同步爆发性释放出抗癌药 提供了全新的思路,细菌疗法因其具有良好的靶向性、物。该方法能够在实现细菌载药递送的前提下,最大程 较低的毒副作用,日益得到重视。早在200多年前,医度上维持体内较低的细菌定殖数量,并减少对周围组织 生们就注意到了细菌感染有时会减缓肿瘤生长甚至将其的损伤及毒副作用 根除。 William Coley医生将细菌灭活,制成了“科利毒1..2人工细菌用于代谢疾病诊疗 素”( Coley' s toxins),最终成功治疗了超过1000名肿 美国生物药物公司 Syslog在2017年8月正式登陆纳 瘤患者,这种治疗方法的成功率居然与现代的癌症治疗斯达克资本市场,其重点业务是利用合成生物学遗传改 方法不相上下。包括破伤风梭菌、丁酸梭菌等致病菌,造益生菌来治疗代谢疾病、炎症和癌症等。 Synlogic对益 以及嗜酸乳杄菌、植物乳杆菌、双歧杆菌等非致病菌都生菌进行基因改造后开发的 SYNCI618被美国食品药品 被报道可以用来治疗癌症,沙门氏菌由于其兼性厌氧 监督管理局(FDA)认定为治疗苯丙酮尿症(PKU)的 靶向能力强、具有天然毒性、易于改造等特点,被认为孤儿药。 Synlogic还发起了尿素循环障碍(UCD)合成生 是最理想的肿瘤治疗载体叫 物学治疗药品的人体临床试验,以验证人工细菌的治疗 中国科学院深圳先进技术研究院团队着重于采用合潜力 成生物学手段,降低细菌毒性、提高靶向能力和赋予细 哥伦比亚大学研发了肠道活细菌“记录仪 菌多样化的功能,以期将细菌改造成更特异、更智能、可以实现肠道内多种代谢物的检测。该团队改造了 更高效的抗肿瘤“武器”。细菌疗法在肿瘤微环境中不段DNA质粒,使其在肠道微生物宿主中响应外部信号 仅具有强烈的免疫调节作用,能够重新唤醒宿主免疫系时可以创建更多的自身拷贝,同时使用另一个独立的 统对肿瘤细胞的抑制;还可以将细菌作为药物或细胞因表达 CRISPR-Cas系统组件的质粒驱动记录仪和标记时 子的递送载体,增强肿瘤抑制效果。目前,该团队改造间。在没有外部信号的情况下,只有记录质粒活动 的人工细菌已进入临床前研究阶段并取得理想疗效,有细胞把这些间隔序列拷贝插入基因组 CRISPR位点。当 望成为全球首个用于治疗实体瘤的活体生物药物。 添加外部信号时,另一质粒也被激活,其序列也被插 美国麻省理工学院与加州大学圣地亚哥分校团队向至 CRISPR位点。这样,混合面成的背景序列就富含 大肠杆菌中植入lacz报告基因,这一基因能够在细菌接了时间和信号信息。研究人员可以通过检查细菌的各 触到肿瘤细胞时开启表达,从而产生大量的LacZ酶。个 CRISPR位点,用计算机工具读取细菌都经历了什么。 接着,研究人员向小鼠注射交联的化学发光底物,这一文章证明,该系统至少能处理3个同步信号并储存宿主 底物在LacZ酶存在的情况下会被切割从而释放化学发光肠道中3天的数据信息。 信号,并汇集到小鼠尿液中。具有这一信号的尿液样品 麻省理工学院团队研发了由活细胞传感器和超低 会由原本的黄色变为红色。研究人员可以仅通过监测尿功率微型电子器件组成的可吞入诊断工具。通过表达特 ③中阁经院
院刊 1219 合成生物学的医学应用研究进展 学研究与开发中较理想的底盘。近年来，合成生物学家 通过精巧设计并构建智能基因线路，已在人体常在菌及 一些致病菌中实现了计算、感知、记忆、响应等功能， 并将其应用于医学研究与疾病诊疗，以期满足医学领域 的特殊需求。 1.1.1 人工细菌用于肿瘤诊疗 基于合成生物学技术的细菌工程化改造为肿瘤治疗 提供了全新的思路，细菌疗法因其具有良好的靶向性、 较低的毒副作用，日益得到重视。早在 200 多年前，医 生们就注意到了细菌感染有时会减缓肿瘤生长甚至将其 根除。William Coley 医生将细菌灭活，制成了“科利毒 素”（Coley’s toxins），最终成功治疗了超过 1 000 名肿 瘤患者，这种治疗方法的成功率居然与现代的癌症治疗 方法不相上下[1]。包括破伤风梭菌、丁酸梭菌等致病菌， 以及嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、双歧杆菌等非致病菌都 被报道可以用来治疗癌症，沙门氏菌由于其兼性厌氧、 靶向能力强、具有天然毒性、易于改造等特点，被认为 是最理想的肿瘤治疗载体[2,3]。 中国科学院深圳先进技术研究院团队着重于采用合 成生物学手段，降低细菌毒性、提高靶向能力和赋予细 菌多样化的功能，以期将细菌改造成更特异、更智能、 更高效的抗肿瘤“武器”。细菌疗法在肿瘤微环境中不 仅具有强烈的免疫调节作用，能够重新唤醒宿主免疫系 统对肿瘤细胞的抑制；还可以将细菌作为药物或细胞因 子的递送载体，增强肿瘤抑制效果。目前，该团队改造 的人工细菌已进入临床前研究阶段并取得理想疗效，有 望成为全球首个用于治疗实体瘤的活体生物药物。 美国麻省理工学院与加州大学圣地亚哥分校团队向 大肠杆菌中植入 lacZ 报告基因，这一基因能够在细菌接 触到肿瘤细胞时开启表达，从而产生大量的 LacZ 酶。 接着，研究人员向小鼠注射交联的化学发光底物，这一 底物在 LacZ 酶存在的情况下会被切割从而释放化学发光 信号，并汇集到小鼠尿液中。具有这一信号的尿液样品 会由原本的黄色变为红色。研究人员可以仅通过监测尿 液颜色变化，从而对小鼠是否患瘤及肿瘤状态进行初步 推测。研究人员发现这一手段比常规显微镜检测更加灵 敏，能够检出直径小于 1 cm 的肿瘤[4]。 加州大学圣地亚哥分校与麻省理工学院团队构建 了细菌周期性同步的药物合成和裂解释放系统。团队设 计了基于群体感应的基因线路，让细菌在肿瘤环境内生 长达到一定浓度阈值后自毁，同步爆发性释放出抗癌药 物。该方法能够在实现细菌载药递送的前提下，最大程 度上维持体内较低的细菌定殖数量，并减少对周围组织 的损伤及毒副作用[5]。 1.1.2 人工细菌用于代谢疾病诊疗 美国生物药物公司 Synlogic 在2017年8月正式登陆纳 斯达克资本市场，其重点业务是利用合成生物学遗传改 造益生菌来治疗代谢疾病、炎症和癌症等。Synlogic 对益 生菌进行基因改造后开发的 SYNC1618 被美国食品药品 监督管理局（FDA）认定为治疗苯丙酮尿症（PKU）的 孤儿药。Synlogic 还发起了尿素循环障碍（UCD）合成生 物学治疗药品的人体临床试验，以验证人工细菌的治疗 潜力。 哥伦比亚大学研发了肠道活细菌“记录仪”， 可以实现肠道内多种代谢物的检测。该团队改造了一 段 DNA 质粒，使其在肠道微生物宿主中响应外部信号 时可以创建更多的自身拷贝，同时使用另一个独立的 表达 CRISPR-Cas 系统组件的质粒驱动记录仪和标记时 间。在没有外部信号的情况下，只有记录质粒活动， 细胞把这些间隔序列拷贝插入基因组 CRISPR 位点。当 添加外部信号时，另一质粒也被激活，其序列也被插 入至 CRISPR 位点。这样，混合而成的背景序列就富含 了时间和信号信息。研究人员可以通过检查细菌的各 个 CRISPR 位点，用计算机工具读取细菌都经历了什么。 文章证明，该系统至少能处理 3 个同步信号并储存宿主 肠道中 3 天的数据信息[6]。 麻省理工学院团队研发了由活细胞传感器和超低 功率微型电子器件组成的可吞入诊断工具。通过表达特
定基因线路的有益大肠杆菌,细菌在遇到血红素后立即病毒由预防性疫苗变为治疗病毒感染的药物,且其药效 表达发光蛋白,以检验消化道岀血。细菌位于被半透膜随着三联密码子数目的增加而增强。这一发现颠覆了病 覆盖的定制传感器上,这种膜可以允许周围小分子透毒疫苗研发的理念,成为活病毒疫苗的重大 过,但不会泄露细菌。在盛放细菌的4个小皿下面是一赖于少数的几个氨基酸突变所获得的传统减毒活病毒相 个光电晶体管,用于测量细菌的产光量,并将数据传递比较,合成减毒病毒的减毒效果来源于多达几百处的密 给微处理器,再通过无线电发送给附近的计算机或智能码子变化所产生的累积效应,因此几乎不可能回复突变 手机。研究人员专门开发了一款 Android应用程序用来到野生型病毒,其安全性大大提高;同时,获得减毒病 分析这些数据。当传感器通过胃部时,内部细菌就能一毒株所需时间短,极大地缩短了疫苗的研发周期。中国 路捕获目标标志物。传感器总长仅约3.8cm,运行功率科学院武汉病毒硏究所团队成功利用该技术硏制岀新型 约13μW;目前在大型哺乳动物猪身上已证明了传感器的寨卡病毒(ZIKV)弱毒疫苗,单次免疫后就可以剌激 的有效性。该团队还另外设计了响应炎症标志物的其他小鼠产生高滴度中和抗体,获得完全的攻毒保护,并且 传感器 可以阻止ZIKV通过母体垂直传播给子代。由于其基因组 1.1.3人工细菌用于抵抗疟原虫 中引入了2568个同义突变,回复突变的风险极低。 疟疾由疟原虫这种单细胞生物寄生诱发,疟原虫通1.2.2人工病毒用于肿瘤治疗 过受感染的雌性按蚊叮咬传至人类。因此,对按蚊的控 人工改造的溶瘤病毒可以通过选择性肿瘤细胞杀伤 制被认为是预防疟疾的重要手段。中国科学院上海植物和抗肿瘤免疫的双重杀瘤机制,选择性地复制和杀死癌 生理生态研究所等发现一种沙雷氏菌属( Serratia)的新细胞而不伤害健康组织。其原理在于,肿瘤驱动突变往 菌株ASI能在按蚊中进行持续跨代传播,并成功地人工往特异性地增加肿瘤细胞中病毒复制的选择性,且许多 构建岀能同时分泌表达5个抗疟基因的菌株,能够有效肿瘤细胞具有抗病毒I型干扰素信号传导的缺陷,因此支 减少92%—93%的疟原虫卵囊。通过高效驱动抗疟效应持选择性病毒复制。肿瘤微环境中的病毒复制,可以克 分子快速散播到整个蚊群中,能够使按蚊成为无效的疟服肿瘤的免疫抑制,并促进抗肿瘤免疫。例如,北京奥 疾媒介,实现从源头上阻断疟疾传播。 源和力生物技术有限公司研发的重组人 GM-CSF单纯疱 12人工病毒噬菌体的诊疗应用 疹病毒注射液( Orient010),其基因组中删除了HSV-1 病毒是最简单的生命体,对病毒的基因改造非常有的致病基因,并插入了编码人粒细胞-巨噬细胞集落刺激 助于我们对特定基因的认识和利用。新兴的合成生物学因子(GM-CSF)的DNA片段,使产品只特异性在肿瘤 为研究病毒及开发诊疗策略提供了新的思路和手段。 细胞中复制,导致肿瘤细胞裂解死亡,同时释放肿瘤抗 12.1人工病毒用于减毒疫苗构建 原,并通过载体表达的GM-CSF蛋白激活全身抗肿瘤 北京大学团队通过合成生物学方法构建减毒活疫苗抗原的特异性免疫反应。 OrienT010已进入了国家优先 的策略被称为“合成减毒病毒工程技术”。研究人员利审评药品目录,最快有望于2019年批准上市,用于瘤 用琥珀密码子(终止密码子)可以识别非天然氨基酸的内注射治疗恶性黑色素瘤。目前已上市的溶瘤病毒产品 原理,将病毒复制基因的部分编码密码子突变成终止密有上海三维生物技术公司的安科瑞(腺病毒)用于头颈 码子,使其在感染人体细胞后,不能进行完整的蛋白质瘤治疗、美国安进公司的TVEC(单纯疱疹病毒)用 翻译,从而获得了活病毒疫苗。所获得的病毒疫苗具有于黑色素瘤治疗等。目前,我国已进入临床试验阶段的 安全性和有效性。进一步突变3个以上三联密码子,使还有中山大学团队的甲病毒M1,可用于13种高发肿瘤 12202018年·第33卷·第11期
1220 2018 年 . 第 33 卷 . 第 11 期 应用领域 定基因线路的有益大肠杆菌，细菌在遇到血红素后立即 表达发光蛋白，以检验消化道出血。细菌位于被半透膜 覆盖的定制传感器上，这种膜可以允许周围小分子透 过，但不会泄露细菌。在盛放细菌的 4 个小皿下面是一 个光电晶体管，用于测量细菌的产光量，并将数据传递 给微处理器，再通过无线电发送给附近的计算机或智能 手机。研究人员专门开发了一款 Android 应用程序用来 分析这些数据。当传感器通过胃部时，内部细菌就能一 路捕获目标标志物。传感器总长仅约 3.8 cm，运行功率 约 13 μW；目前在大型哺乳动物猪身上已证明了传感器 的有效性[7]。该团队还另外设计了响应炎症标志物的其他 传感器。 1.1.3 人工细菌用于抵抗疟原虫 疟疾由疟原虫这种单细胞生物寄生诱发，疟原虫通 过受感染的雌性按蚊叮咬传至人类。因此，对按蚊的控 制被认为是预防疟疾的重要手段。中国科学院上海植物 生理生态研究所等发现一种沙雷氏菌属（Serratia）的新 菌株 AS1 能在按蚊中进行持续跨代传播，并成功地人工 构建出能同时分泌表达 5 个抗疟基因的菌株，能够有效 减少 92%—93% 的疟原虫卵囊。通过高效驱动抗疟效应 分子快速散播到整个蚊群中，能够使按蚊成为无效的疟 疾媒介，实现从源头上阻断疟疾传播[8]。 1.2 人工病毒/噬菌体的诊疗应用 病毒是最简单的生命体，对病毒的基因改造非常有 助于我们对特定基因的认识和利用。新兴的合成生物学 为研究病毒及开发诊疗策略提供了新的思路和手段。 1.2.1 人工病毒用于减毒疫苗构建 北京大学团队通过合成生物学方法构建减毒活疫苗 的策略被称为“合成减毒病毒工程技术”。研究人员利 用琥珀密码子（终止密码子）可以识别非天然氨基酸的 原理，将病毒复制基因的部分编码密码子突变成终止密 码子，使其在感染人体细胞后，不能进行完整的蛋白质 翻译，从而获得了活病毒疫苗。所获得的病毒疫苗具有 安全性和有效性。进一步突变 3 个以上三联密码子，使 病毒由预防性疫苗变为治疗病毒感染的药物，且其药效 随着三联密码子数目的增加而增强。这一发现颠覆了病 毒疫苗研发的理念，成为活病毒疫苗的重大突破。与依 赖于少数的几个氨基酸突变所获得的传统减毒活病毒相 比较，合成减毒病毒的减毒效果来源于多达几百处的密 码子变化所产生的累积效应，因此几乎不可能回复突变 到野生型病毒，其安全性大大提高；同时，获得减毒病 毒株所需时间短，极大地缩短了疫苗的研发周期[9]。中国 科学院武汉病毒研究所团队成功利用该技术研制出新型 的寨卡病毒（ZIKV）弱毒疫苗，单次免疫后就可以刺激 小鼠产生高滴度中和抗体，获得完全的攻毒保护，并且 可以阻止 ZIKV 通过母体垂直传播给子代。由于其基因组 中引入了 2 568 个同义突变，回复突变的风险极低[10]。 1.2.2 人工病毒用于肿瘤治疗 人工改造的溶瘤病毒可以通过选择性肿瘤细胞杀伤 和抗肿瘤免疫的双重杀瘤机制，选择性地复制和杀死癌 细胞而不伤害健康组织。其原理在于，肿瘤驱动突变往 往特异性地增加肿瘤细胞中病毒复制的选择性，且许多 肿瘤细胞具有抗病毒 I 型干扰素信号传导的缺陷，因此支 持选择性病毒复制。肿瘤微环境中的病毒复制，可以克 服肿瘤的免疫抑制，并促进抗肿瘤免疫。例如，北京奥 源和力生物技术有限公司研发的重组人 GM-CSF 单纯疱 疹病毒注射液（OrienX010），其基因组中删除了 HSV-1 的致病基因，并插入了编码人粒细胞-巨噬细胞集落刺激 因子（GM-CSF）的 DNA 片段，使产品只特异性在肿瘤 细胞中复制，导致肿瘤细胞裂解死亡，同时释放肿瘤抗 原，并通过载体表达的 GM-CSF 蛋白激活全身抗肿瘤 抗原的特异性免疫反应。OrienX010 已进入了国家优先 审评药品目录，最快有望于 2019 年批准上市，用于瘤 内注射治疗恶性黑色素瘤。目前已上市的溶瘤病毒产品 有上海三维生物技术公司的安科瑞（腺病毒）用于头颈 瘤治疗、美国安进公司的 T-VEC（单纯疱疹病毒）用 于黑色素瘤治疗等。目前，我国已进入临床试验阶段的 还有中山大学团队的甲病毒 M1，可用于 13 种高发肿瘤
合成生物学的医学应用研究进展 的疗效及安全性评估;北京市神经外科研究所的溶瘤病命,以往无法治愈的遗传疾病将从根源上得到缓解。 毒ON01,可用于复发脑胶质瘤的治疗评估等"。 从原理上来说,基于小分子药物或蛋白的疗法需 1.2.3人工噬菌体用于耐药菌治疗 要反复给药(例如糖尿病患者需要反复注射胰岛素 Sample6 Technologies公司利用合成生物学技术改造而如果可修复病人的错误基因,那么单次治疗就可产 噬菌体,可使噬菌体直接识别并杀死细菌,或产生特定生持续的治疗效果,达到控制甚至逆转遗传疾病的疗 酶来破坏细菌保护膜,从而使细菌被抗生素或机体免疫效。基因治疗有两大先决条件:①需要有递送新基因 系统杀灭。 的载体,最有临床前景的是逆转录病毒和腺相关病毒 上海噬菌体与耐药研究所2018年8月成功治愈了载体;②需要有编辑、修复错误基因的手段,介导基 例超级细菌感染患者。患者是一位膀胱肿瘤术后复杂因添加、基因删除、基因校正,以及细胞内其他高度 性、反复性尿路感染者,2014年因全尿路内滋生了多靶向的基因组修饰,一般是采用三大基因编辑技术一 重耐药的肺炎克雷伯菌(以下简称“肺克”),肺克在锌指核酸酶技术(ZFN)、转录激活因子样效应子核酸 左、右肾盂和膀胱中分别建立了感染,3处的肺克有联系酶技术( TALEN)和规律成簇的间隔短回文重复技术 又有差异,治疗难度很大。治疗团队最终确定了治疗方( CRISPR)。 案:肾盂造瘘后通过造痿管进行噬菌体冲洗合并抗生素 基因治疗可以指针对体细胞所携带的单基因遗传 静滴治疗1周,而后停抗生素并继续噬菌体治疗1周,最病,在体内原位进行的基因疗法,也可以在体外改造血 后全部停药并连续观察1个月。最终,患者泌尿系统的红细胞并回输人体内的疗法(亦称细胞疗法)。由于涉 肺克被彻底杀灭,尿路刺激症状显著改善,生活质量得及人工细胞的设计改造以实现特定治疗功能,因此属于 到了明显提高叫 合成生物学范畴。基因治疗在临床治疗中非常有潜力, 是合成生物学在医学领域应用的重大成果,许多不治之 2人类自身细胞的设计改造 症有望得到缓解,近期案例包括: 人体由体细胞与生殖细胞共同组成。体细胞作为人 2017年, Sangamo公司开展了全球首例人体内基因 体结构和功能的基本单元,其数量达40万亿-60万亿编辑治疗。44岁的 Brian maddux患有先天新陈代谢 个,决定着人体的健康状况。生殖细胞则影响着下一代异常疾病亨特氏综合征,被通过静脉注射将数十亿份矫 的健康状况。在体外细胞模型和动物模型中,经基因线正基因及精准基因编辑工具注入患者体内。研究人员表 路改造的人工细胞在单基因遗传病、癌症诊断、癌细胞示治疗效果很好,没有出现严重的副作用或安全问题。 识别、代谢性疾病(如痛风、糖尿病和高血压等)、感2018年2月, Sangamo公司被批准实施第二位患者的体内 染性疾病治疗和干预等方面已取得重大突破,为进一步基因治疗。 开展临床应用奠定了坚实基础。 辉瑞公司在临床实验中用锌指转录因子(ZFP-TFs) 2.1人工细胞用于遗传病的基因治疗 来治疗C9ORF72基因突变引起的肌萎缩性脊髓侧索硬化 医学史上有一些改变疾病治疗范式的大事件,比如症(ALS),也称为渐冻人症,以及另一种叫额颞叶大 外科手术的发明、抗生素的发现,而下一个大事件很可能叶性变性(FILD)的神经变性疾病吗。 是正在成熟的基因治疗。2017年,美国FDA首次批准 赛诺菲集团旗下子公司 Bioverativ从患者体内收 种针对眼科遗传病的疗法 Luxturna。不久的将来,更多的集造血干细胞(HSCs),然后利用ZFN技术在体外对 基因治疗方法将从实验室走向临床,掀起一场新的医学革调控BCLMⅠA基因的红细胞增强子进行精确切割,促 中钾汽院刊|121
院刊 1221 合成生物学的医学应用研究进展 的疗效及安全性评估；北京市神经外科研究所的溶瘤病 毒 ON-01，可用于复发脑胶质瘤的治疗评估等[11]。 1.2.3 人工噬菌体用于耐药菌治疗 Sample6 Technologies 公司利用合成生物学技术改造 噬菌体，可使噬菌体直接识别并杀死细菌，或产生特定 酶来破坏细菌保护膜，从而使细菌被抗生素或机体免疫 系统杀灭。 上海噬菌体与耐药研究所 2018 年 8 月成功治愈了 一例超级细菌感染患者。患者是一位膀胱肿瘤术后复杂 性、反复性尿路感染者，2014 年因全尿路内滋生了多 重耐药的肺炎克雷伯菌（以下简称“肺克”），肺克在 左、右肾盂和膀胱中分别建立了感染，3 处的肺克有联系 又有差异，治疗难度很大。治疗团队最终确定了治疗方 案：肾盂造瘘后通过造瘘管进行噬菌体冲洗合并抗生素 静滴治疗 1 周，而后停抗生素并继续噬菌体治疗 1 周，最 后全部停药并连续观察 1 个月。最终，患者泌尿系统的 肺克被彻底杀灭，尿路刺激症状显著改善，生活质量得 到了明显提高[12]。 2 人类自身细胞的设计改造 人体由体细胞与生殖细胞共同组成。体细胞作为人 体结构和功能的基本单元，其数量达 40 万亿—60 万亿 个，决定着人体的健康状况。生殖细胞则影响着下一代 的健康状况。在体外细胞模型和动物模型中，经基因线 路改造的人工细胞在单基因遗传病、癌症诊断、癌细胞 识别、代谢性疾病（如痛风、糖尿病和高血压等）、感 染性疾病治疗和干预等方面已取得重大突破，为进一步 开展临床应用奠定了坚实基础。 2.1 人工细胞用于遗传病的基因治疗 医学史上有一些改变疾病治疗范式的大事件，比如 外科手术的发明、抗生素的发现，而下一个大事件很可能 是正在成熟的基因治疗。2017 年，美国 FDA 首次批准一 种针对眼科遗传病的疗法 Luxturna。不久的将来，更多的 基因治疗方法将从实验室走向临床，掀起一场新的医学革 命，以往无法治愈的遗传疾病将从根源上得到缓解。 从原理上来说，基于小分子药物或蛋白的疗法需 要反复给药（例如糖尿病患者需要反复注射胰岛素）， 而如果可修复病人的错误基因，那么单次治疗就可产 生持续的治疗效果，达到控制甚至逆转遗传疾病的疗 效。基因治疗有两大先决条件：① 需要有递送新基因 的载体，最有临床前景的是逆转录病毒和腺相关病毒 载体；② 需要有编辑、修复错误基因的手段，介导基 因添加、基因删除、基因校正，以及细胞内其他高度 靶向的基因组修饰，一般是采用三大基因编辑技术—— 锌指核酸酶技术（ZFN）、转录激活因子样效应子核酸 酶技术（TALEN）和规律成簇的间隔短回文重复技术 （CRISPR）。 基因治疗可以指针对体细胞所携带的单基因遗传 病，在体内原位进行的基因疗法，也可以在体外改造血 红细胞并回输人体内的疗法（亦称细胞疗法）。由于涉 及人工细胞的设计改造以实现特定治疗功能，因此属于 合成生物学范畴。基因治疗在临床治疗中非常有潜力， 是合成生物学在医学领域应用的重大成果，许多不治之 症有望得到缓解，近期案例包括： 2017 年，Sangamo 公司开展了全球首例人体内基因 编辑治疗[13]。44 岁的 Brian Madeux 患有先天新陈代谢 异常疾病亨特氏综合征，被通过静脉注射将数十亿份矫 正基因及精准基因编辑工具注入患者体内。研究人员表 示治疗效果很好，没有出现严重的副作用或安全问题。 2018 年2月，Sangamo 公司被批准实施第二位患者的体内 基因治疗。 辉瑞公司在临床实验中用锌指转录因子（ZFP-TFs） 来治疗 C9ORF72 基因突变引起的肌萎缩性脊髓侧索硬化 症（ALS），也称为渐冻人症，以及另一种叫额颞叶大 叶性变性（FTLD）的神经变性疾病[14]。 赛诺菲集团旗下子公司 Bioverativ 从患者体内收 集造血干细胞（HSCs），然后利用 ZFN 技术在体外对 调控 BCL11A 基因的红细胞增强子进行精确切割，促
使BCLA基因的表达下降。接受过基因编辑的HSCs会一全球首个CAR-T产品上市,用于治疗急性淋巴细胞 被重新注回患者体内,它们可以继续增殖并且分化为成白血病, Kymriah产品定价为47.5万美元。Ke公司 熟的血红细胞,从而缓解镰状细胞病患者的症状。这种的 Yescarta(KTE-C19)也紧随其后获批上市,产品定 自体细胞疗法的优势在于不依靠病毒载体对基因进行编价373万美元 辑,从而避免病毒载体可能带来的副作用叫 我国研发单位在激烈的全球竞争中不落下风,临床试 英国制药公司 Shire开发出了亨廷顿氏病基因疗法。验数量约占全球一半,靶点除CD19之外还包括MCU-1 亨廷顿氏病是由单个基因ht基因中的特定类型突变引起 EPCAM和GPC3等最新靶点。中国人民解放军总医院 的。该疗法通过锌指蛋白特异性下调h突变体基因,从(301医院)已于2014年开始了相关临床试验,其研发 而选择性地抑制突变型亨廷顿蛋白(HTT)的表达,同管线也最为丰富;四川大学华西医院、第三军医大学西 时保持正常基因拷贝的表达水平不变,以期逆转亨廷顿南医院、上海肿瘤研究所与仁济医院等也取得了良好疗 氏病的症状,阻止病情恶化。该疗法目前正在临床前研效。国内进入CAR-T领域的公司有药明巨诺、复星凯 究阶段。 特、上海昆朗、上海比昂、科济生物、优卡迪、恒润达 除了治疗目的,还有生物黑客正利用基因治疗技生、中源协和、南京传奇、南京凯地、北京马力喏、西 术改造自身细胞,期望获得增强的人体功能。例如 比曼和博雅控股等。 原NASA科学家 Josiah Zayner采用 CRISPR技术,在自己 CAR-T技术在新靶点寻找、实体瘤攻克、通用型 身体内引人入 Myostatin基因突变,以增强肌肉生长。还有生产等方面,仍需不断改善。在基础硏究领域,科学家 生物黑客在自己视网膜引入视紫红质基因,试图增强视也在利用合成生物学手段,不断设计性能更优的人工细 力吗。 胞。近期研究进展包括: 22人工细胞用于肿瘤诊疗 深圳市第二人民医院团队利用逻辑“与门”及“信 人工设计改造的免疫T细胞正在成为强有力的癌症号连接器”概念,设计构建基因线路进行膀胱癌细胞识 药物,肿瘤细胞免疫治疗被认为是2017年全球生物科技别和治疗。该团队利用 CRISPR-Cas9系统成功构建了携 最大“风口”,癌症免疫疗法还拿下了2018年诺贝尔生带逻辑“与门”的基因线路,利用膀胱癌特异性启动 理学或医学奖。继以 PD-I/PD-L1为代表的免疫检查点抑子UPⅡ和端粒酶逆转录酶作为输入信号:当两种启动 制剂药物在癌症研究和治疗领域大放异彩,CART疗法子均激活时,方可启动下游信号(如荧光素酶)的表 更成为有望战胜癌症的重磅武器。CAR-T技术,即采用达,从而将膀胱癌细胞与其他细胞实现有效区分;当输 人工合成的嵌合抗原受体( chimeric antigen receptors,出信号为细胞凋亡相关分子,则还可实现特异性杀伤目 CARs)在体外工程化改造T细胞。与天然的生理抗原受的。该研究为膀胱癌和其他肿瘤检测和治疗提供了一个 体不同,CARs可以被工程化设计,识别肿瘤特异的蛋白标准化的合成生物学平台,对开发新的肿瘤生物治疗器 质、糖脂、HA多肽复合物等。人工设计改造后的T细件具有重要的指导意义。该团队还创造性地提出“信号 胞经过扩增再回输患者体内,特异性识别、结合、杀伤连接器”概念,即将发挥内源蛋白识别功能的核酸适配 癌症细胞,从而达到靶向治疗的目的。 体RNA与发挥靶点mRNA识别功能的引导gRNA连接, 在临床应用领域,CAR-T疗法当前在全球正在进这种新型“信号连接器”可在细胞内特异性识别癌信号 行307项临床试验,其中164项来自中国。2018年7月,通路关键蛋白分子,并进一步借助gRNA靶向抑制癌信 美国批准了诺华公司的 Kymriah(曾用名CTL019)这号分子的翻译效率,从而在诊断上定量检测多个层面的 1222|2018年·第33卷·第11期
1222 2018 年 . 第 33 卷 . 第 11 期 应用领域 使 BCL11A 基因的表达下降。接受过基因编辑的 HSCs 会 被重新注回患者体内，它们可以继续增殖并且分化为成 熟的血红细胞，从而缓解镰状细胞病患者的症状。这种 自体细胞疗法的优势在于不依靠病毒载体对基因进行编 辑，从而避免病毒载体可能带来的副作用[14]。 英国制药公司 Shire 开发出了亨廷顿氏病基因疗法。 亨廷顿氏病是由单个基因 htt 基因中的特定类型突变引起 的。该疗法通过锌指蛋白特异性下调 htt 突变体基因，从 而选择性地抑制突变型亨廷顿蛋白（HTT）的表达，同 时保持正常基因拷贝的表达水平不变，以期逆转亨廷顿 氏病的症状，阻止病情恶化。该疗法目前正在临床前研 究阶段[14]。 除了治疗目的，还有生物黑客正利用基因治疗技 术改造自身细胞，期望获得增强的人体功能。例如， 原 NASA 科学家 Josiah Zayner 采用 CRISPR 技术，在自己 身体内引入 Myostatin 基因突变，以增强肌肉生长。还有 生物黑客在自己视网膜引入视紫红质基因，试图增强视 力[15]。 2.2 人工细胞用于肿瘤诊疗 人工设计改造的免疫 T 细胞正在成为强有力的癌症 药物，肿瘤细胞免疫治疗被认为是 2017 年全球生物科技 最大“风口”，癌症免疫疗法还拿下了 2018 年诺贝尔生 理学或医学奖。继以 PD-1/PD-L1 为代表的免疫检查点抑 制剂药物在癌症研究和治疗领域大放异彩，CAR-T 疗法 更成为有望战胜癌症的重磅武器。CAR-T 技术，即采用 人工合成的嵌合抗原受体（chimeric antigen receptors， CARs）在体外工程化改造T细胞。与天然的生理抗原受 体不同，CARs 可以被工程化设计，识别肿瘤特异的蛋白 质、糖脂、HLA 多肽复合物等。人工设计改造后的 T 细 胞经过扩增再回输患者体内，特异性识别、结合、杀伤 癌症细胞，从而达到靶向治疗的目的。 在临床应用领域，CAR-T 疗法当前在全球正在进 行 307 项临床试验，其中 164 项来自中国。2018 年 7 月， 美国批准了诺华公司的 Kymriah（曾用名 CTL019）这 一全球首个 CAR-T 产品上市，用于治疗急性淋巴细胞 白血病，Kymriah 产品定价为 47.5 万美元。Kite 公司 的Yescarta（KTE-C19）也紧随其后获批上市，产品定 价 37.3 万美元。 我国研发单位在激烈的全球竞争中不落下风，临床试 验数量约占全球一半，靶点除 CD19 之外还包括 MCU-1、 EPCAM 和 GPC3 等最新靶点。中国人民解放军总医院 （301 医院）已于 2014 年开始了相关临床试验，其研发 管线也最为丰富；四川大学华西医院、第三军医大学西 南医院、上海肿瘤研究所与仁济医院等也取得了良好疗 效。国内进入 CAR-T 领域的公司有药明巨诺、复星凯 特、上海昆朗、上海比昂、科济生物、优卡迪、恒润达 生、中源协和、南京传奇、南京凯地、北京马力喏、西 比曼和博雅控股等。 CAR-T 技术在新靶点寻找、实体瘤攻克、通用型 生产等方面，仍需不断改善。在基础研究领域，科学家 也在利用合成生物学手段，不断设计性能更优的人工细 胞。近期研究进展包括： 深圳市第二人民医院团队利用逻辑“与门”及“信 号连接器”概念，设计构建基因线路进行膀胱癌细胞识 别和治疗。该团队利用 CRISPR-Cas9 系统成功构建了携 带逻辑“与门”的基因线路，利用膀胱癌特异性启动 子 UPⅡ和端粒酶逆转录酶作为输入信号：当两种启动 子均激活时，方可启动下游信号（如荧光素酶）的表 达，从而将膀胱癌细胞与其他细胞实现有效区分；当输 出信号为细胞凋亡相关分子，则还可实现特异性杀伤目 的。该研究为膀胱癌和其他肿瘤检测和治疗提供了一个 标准化的合成生物学平台，对开发新的肿瘤生物治疗器 件具有重要的指导意义。该团队还创造性地提出“信号 连接器”概念，即将发挥内源蛋白识别功能的核酸适配 体 RNA 与发挥靶点 mRNA 识别功能的引导 gRNA 连接， 这种新型“信号连接器”可在细胞内特异性识别癌信号 通路关键蛋白分子，并进一步借助 gRNA 靶向抑制癌信 号分子的翻译效率，从而在诊断上定量检测多个层面的