崔金明 王力為 常志廣 臧中盛 劉陳立*

1 中國科學院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055

2 中國科學院 前沿科學與教育局 北京 100864

當前，國際合成生物學領域呈現(xiàn)出學科和產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展、齊頭并進的新局面。合成生物學這一學科的首要特征便是系統(tǒng)化地采用工程手段，有目的地設計人工生命體系，其研究范圍涵蓋較廣。其中，合成生物學技術(shù)的醫(yī)學轉(zhuǎn)化應用研究受到了科技界和醫(yī)學界的廣泛關注。

在醫(yī)學應用領域，合成生物學以人工設計的基因線路改造人體自身細胞，或改造細菌、病毒等人工生命體，再使其間接作用于人體。這些經(jīng)人工設計的生命體能夠感知疾病特異信號或人工信號、特異性靶向異常細胞和病灶區(qū)域、表達報告分子或釋放治療藥物，從而實現(xiàn)對人體生理狀態(tài)的監(jiān)測以及對典型疾病的診斷與治療。人工生命體因其智能性、復雜性和安全可控性等優(yōu)點，將提升人們對腫瘤、代謝疾病、耐藥菌感染等頑疾的診斷、治療和預防水平，從而發(fā)揮合成生物學技術(shù)的顛覆性優(yōu)勢，有望開創(chuàng)智能生物診療的新時代。近期的一些研究進展綜述如下。

1 細菌、病毒等人工生命體的設計改造

1.1 人工細菌的診療應用

細菌作為人類體內(nèi)與體表最常見、數(shù)量最多的外源生物，從人類出生到死亡，細菌時時刻刻都與人的新陳代謝、免疫和衰老產(chǎn)生著千絲萬縷的聯(lián)系。以大腸桿菌等模式微生物為代表，細菌因其較易培養(yǎng)、結(jié)構(gòu)相對簡單、研究較為透徹和易于基因編輯等特點成為合成生物學研究與開發(fā)中較理想的底盤。近年來，合成生物學家通過精巧設計并構(gòu)建智能基因線路，已在人體常在菌及一些致病菌中實現(xiàn)了計算、感知、記憶、響應等功能，并將其應用于醫(yī)學研究與疾病診療，以期滿足醫(yī)學領域的特殊需求。

1.1.1 人工細菌用于腫瘤診療

基于合成生物學技術(shù)的細菌工程化改造為腫瘤治療提供了全新的思路，細菌療法因其具有良好的靶向性、較低的毒副作用，日益得到重視。早在 200 多年前，醫(yī)生們就注意到了細菌感染有時會減緩腫瘤生長甚至將其根除。William Coley 醫(yī)生將細菌滅活，制成了“科利毒素”（Coley’s toxins），最終成功治療了超過 1 000 名腫瘤患者，這種治療方法的成功率居然與現(xiàn)代的癌癥治療方法不相上下[1]。包括破傷風梭菌、丁酸梭菌等致病菌，以及嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌、雙歧桿菌等非致病菌都被報道可以用來治療癌癥，沙門氏菌由于其兼性厭氧、靶向能力強、具有天然毒性、易于改造等特點，被認為是最理想的腫瘤治療載體[2,3]。

中國科學院深圳先進技術(shù)研究院團隊著重于采用合成生物學手段，降低細菌毒性、提高靶向能力和賦予細菌多樣化的功能，以期將細菌改造成更特異、更智能、更高效的抗腫瘤“武器”。細菌療法在腫瘤微環(huán)境中不僅具有強烈的免疫調(diào)節(jié)作用，能夠重新喚醒宿主免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的抑制；還可以將細菌作為藥物或細胞因子的遞送載體，增強腫瘤抑制效果。目前，該團隊改造的人工細菌已進入臨床前研究階段并取得理想療效，有望成為全球首個用于治療實體瘤的活體生物藥物。

美國麻省理工學院與加州大學圣地亞哥分校團隊向大腸桿菌中植入 lacZ 報告基因，這一基因能夠在細菌接觸到腫瘤細胞時開啟表達，從而產(chǎn)生大量的 LacZ 酶。接著，研究人員向小鼠注射交聯(lián)的化學發(fā)光底物，這一底物在 LacZ 酶存在的情況下會被切割從而釋放化學發(fā)光信號，并匯集到小鼠尿液中。具有這一信號的尿液樣品會由原本的黃色變?yōu)榧t色。研究人員可以僅通過監(jiān)測尿液顏色變化，從而對小鼠是否患瘤及腫瘤狀態(tài)進行初步推測。研究人員發(fā)現(xiàn)這一手段比常規(guī)顯微鏡檢測更加靈敏，能夠檢出直徑小于 1 cm 的腫瘤[4]。

加州大學圣地亞哥分校與麻省理工學院團隊構(gòu)建了細菌周期性同步的藥物合成和裂解釋放系統(tǒng)。團隊設計了基于群體感應的基因線路，讓細菌在腫瘤環(huán)境內(nèi)生長達到一定濃度閾值后自毀，同步爆發(fā)性釋放出抗癌藥物。該方法能夠在實現(xiàn)細菌載藥遞送的前提下，最大程度上維持體內(nèi)較低的細菌定殖數(shù)量，并減少對周圍組織的損傷及毒副作用[5]。

1.1.2 人工細菌用于代謝疾病診療

美國生物藥物公司 Synlogic 在2017年8月正式登陸納斯達克資本市場，其重點業(yè)務是利用合成生物學遺傳改造益生菌來治療代謝疾病、炎癥和癌癥等。Synlogic 對益生菌進行基因改造后開發(fā)的 SYNC1618 被美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）認定為治療苯丙酮尿癥（PKU）的孤兒藥。Synlogic 還發(fā)起了尿素循環(huán)障礙（UCD）合成生物學治療藥品的人體臨床試驗，以驗證人工細菌的治療潛力。

哥倫比亞大學研發(fā)了腸道活細菌“記錄儀”，可以實現(xiàn)腸道內(nèi)多種代謝物的檢測。該團隊改造了一段 DNA 質(zhì)粒，使其在腸道微生物宿主中響應外部信號時可以創(chuàng)建更多的自身拷貝，同時使用另一個獨立的表達 CRISPR-Cas 系統(tǒng)組件的質(zhì)粒驅(qū)動記錄儀和標記時間。在沒有外部信號的情況下，只有記錄質(zhì)粒活動，細胞把這些間隔序列拷貝插入基因組 CRISPR 位點。當添加外部信號時，另一質(zhì)粒也被激活，其序列也被插入至 CRISPR 位點。這樣，混合而成的背景序列就富含了時間和信號信息。研究人員可以通過檢查細菌的各個 CRISPR 位點，用計算機工具讀取細菌都經(jīng)歷了什么。文章證明，該系統(tǒng)至少能處理 3 個同步信號并儲存宿主腸道中 3 天的數(shù)據(jù)信息[6]。

麻省理工學院團隊研發(fā)了由活細胞傳感器和超低功率微型電子器件組成的可吞入診斷工具。通過表達特定基因線路的有益大腸桿菌，細菌在遇到血紅素后立即表達發(fā)光蛋白，以檢驗消化道出血。細菌位于被半透膜覆蓋的定制傳感器上，這種膜可以允許周圍小分子透過，但不會泄露細菌。在盛放細菌的 4 個小皿下面是一個光電晶體管，用于測量細菌的產(chǎn)光量，并將數(shù)據(jù)傳遞給微處理器，再通過無線電發(fā)送給附近的計算機或智能手機。研究人員專門開發(fā)了一款 Android 應用程序用來分析這些數(shù)據(jù)。當傳感器通過胃部時，內(nèi)部細菌就能一路捕獲目標標志物。傳感器總長僅約 3.8 cm，運行功率約 13 μW；目前在大型哺乳動物豬身上已證明了傳感器的有效性[7]。該團隊還另外設計了響應炎癥標志物的其他傳感器。

1.1.3 人工細菌用于抵抗瘧原蟲

瘧疾由瘧原蟲這種單細胞生物寄生誘發(fā)，瘧原蟲通過受感染的雌性按蚊叮咬傳至人類。因此，對按蚊的控制被認為是預防瘧疾的重要手段。中國科學院上海植物生理生態(tài)研究所等發(fā)現(xiàn)一種沙雷氏菌屬（Serratia）的新菌株 AS1 能在按蚊中進行持續(xù)跨代傳播，并成功地人工構(gòu)建出能同時分泌表達 5 個抗瘧基因的菌株，能夠有效減少 92%—93% 的瘧原蟲卵囊。通過高效驅(qū)動抗瘧效應分子快速散播到整個蚊群中，能夠使按蚊成為無效的瘧疾媒介，實現(xiàn)從源頭上阻斷瘧疾傳播[8]。

1.2 人工病毒/噬菌體的診療應用

病毒是最簡單的生命體，對病毒的基因改造非常有助于我們對特定基因的認識和利用。新興的合成生物學為研究病毒及開發(fā)診療策略提供了新的思路和手段。

1.2.1 人工病毒用于減毒疫苗構(gòu)建

北京大學團隊通過合成生物學方法構(gòu)建減毒活疫苗的策略被稱為“合成減毒病毒工程技術(shù)”。研究人員利用琥珀密碼子（終止密碼子）可以識別非天然氨基酸的原理，將病毒復制基因的部分編碼密碼子突變成終止密碼子，使其在感染人體細胞后，不能進行完整的蛋白質(zhì)翻譯，從而獲得了活病毒疫苗。所獲得的病毒疫苗具有安全性和有效性。進一步突變 3 個以上三聯(lián)密碼子，使病毒由預防性疫苗變?yōu)橹委煵《靖腥镜乃幬?，且其藥效隨著三聯(lián)密碼子數(shù)目的增加而增強。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了病毒疫苗研發(fā)的理念，成為活病毒疫苗的重大突破。與依賴于少數(shù)的幾個氨基酸突變所獲得的傳統(tǒng)減毒活病毒相比較，合成減毒病毒的減毒效果來源于多達幾百處的密碼子變化所產(chǎn)生的累積效應，因此幾乎不可能回復突變到野生型病毒，其安全性大大提高；同時，獲得減毒病毒株所需時間短，極大地縮短了疫苗的研發(fā)周期[9]。中國科學院武漢病毒研究所團隊成功利用該技術(shù)研制出新型的寨卡病毒（ZIKV）弱毒疫苗，單次免疫后就可以刺激小鼠產(chǎn)生高滴度中和抗體，獲得完全的攻毒保護，并且可以阻止 ZIKV 通過母體垂直傳播給子代。由于其基因組中引入了 2 568 個同義突變，回復突變的風險極低[10]。

1.2.2 人工病毒用于腫瘤治療

人工改造的溶瘤病毒可以通過選擇性腫瘤細胞殺傷和抗腫瘤免疫的雙重殺瘤機制，選擇性地復制和殺死癌細胞而不傷害健康組織。其原理在于，腫瘤驅(qū)動突變往往特異性地增加腫瘤細胞中病毒復制的選擇性，且許多腫瘤細胞具有抗病毒 I 型干擾素信號傳導的缺陷，因此支持選擇性病毒復制。腫瘤微環(huán)境中的病毒復制，可以克服腫瘤的免疫抑制，并促進抗腫瘤免疫。例如，北京奧源和力生物技術(shù)有限公司研發(fā)的重組人 GM-CSF 單純皰疹病毒注射液（OrienX010），其基因組中刪除了 HSV-1的致病基因，并插入了編碼人粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）的 DNA 片段，使產(chǎn)品只特異性在腫瘤細胞中復制，導致腫瘤細胞裂解死亡，同時釋放腫瘤抗原，并通過載體表達的 GM-CSF 蛋白激活全身抗腫瘤抗原的特異性免疫反應。OrienX010 已進入了國家優(yōu)先審評藥品目錄，最快有望于 2019 年批準上市，用于瘤內(nèi)注射治療惡性黑色素瘤。目前已上市的溶瘤病毒產(chǎn)品有上海三維生物技術(shù)公司的安科瑞（腺病毒）用于頭頸瘤治療、美國安進公司的 T-VEC（單純皰疹病毒）用于黑色素瘤治療等。目前，我國已進入臨床試驗階段的還有中山大學團隊的甲病毒 M1，可用于 13 種高發(fā)腫瘤的療效及安全性評估；北京市神經(jīng)外科研究所的溶瘤病毒 ON-01，可用于復發(fā)腦膠質(zhì)瘤的治療評估等[11]。

1.2.3 人工噬菌體用于耐藥菌治療

Sample6 Technologies 公司利用合成生物學技術(shù)改造噬菌體，可使噬菌體直接識別并殺死細菌，或產(chǎn)生特定酶來破壞細菌保護膜，從而使細菌被抗生素或機體免疫系統(tǒng)殺滅。

上海噬菌體與耐藥研究所 2018 年 8 月成功治愈了一例超級細菌感染患者。患者是一位膀胱腫瘤術(shù)后復雜性、反復性尿路感染者，2014 年因全尿路內(nèi)滋生了多重耐藥的肺炎克雷伯菌（以下簡稱“肺克”），肺克在左、右腎盂和膀胱中分別建立了感染，3 處的肺克有聯(lián)系又有差異，治療難度很大。治療團隊最終確定了治療方案：腎盂造瘺后通過造瘺管進行噬菌體沖洗合并抗生素靜滴治療 1 周，而后停抗生素并繼續(xù)噬菌體治療 1 周，最后全部停藥并連續(xù)觀察 1 個月。最終，患者泌尿系統(tǒng)的肺克被徹底殺滅，尿路刺激癥狀顯著改善，生活質(zhì)量得到了明顯提高[12]。

2 人類自身細胞的設計改造

人體由體細胞與生殖細胞共同組成。體細胞作為人體結(jié)構(gòu)和功能的基本單元，其數(shù)量達 40 萬億—60 萬億個，決定著人體的健康狀況。生殖細胞則影響著下一代的健康狀況。在體外細胞模型和動物模型中，經(jīng)基因線路改造的人工細胞在單基因遺傳病、癌癥診斷、癌細胞識別、代謝性疾?。ㄈ缤达L、糖尿病和高血壓等）、感染性疾病治療和干預等方面已取得重大突破，為進一步開展臨床應用奠定了堅實基礎。

2.1 人工細胞用于遺傳病的基因治療

醫(yī)學史上有一些改變疾病治療范式的大事件，比如外科手術(shù)的發(fā)明、抗生素的發(fā)現(xiàn)，而下一個大事件很可能是正在成熟的基因治療。2017 年，美國 FDA 首次批準一種針對眼科遺傳病的療法 Luxturna。不久的將來，更多的基因治療方法將從實驗室走向臨床，掀起一場新的醫(yī)學革命，以往無法治愈的遺傳疾病將從根源上得到緩解。

從原理上來說，基于小分子藥物或蛋白的療法需要反復給藥（例如糖尿病患者需要反復注射胰島素），而如果可修復病人的錯誤基因，那么單次治療就可產(chǎn)生持續(xù)的治療效果，達到控制甚至逆轉(zhuǎn)遺傳疾病的療效?；蛑委熡袃纱笙葲Q條件：① 需要有遞送新基因的載體，最有臨床前景的是逆轉(zhuǎn)錄病毒和腺相關病毒載體；② 需要有編輯、修復錯誤基因的手段，介導基因添加、基因刪除、基因校正，以及細胞內(nèi)其他高度靶向的基因組修飾，一般是采用三大基因編輯技術(shù)——鋅指核酸酶技術(shù)（ZFN）、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應子核酸酶技術(shù)（TALEN）和規(guī)律成簇的間隔短回文重復技術(shù)（CRISPR）。

基因治療可以指針對體細胞所攜帶的單基因遺傳病，在體內(nèi)原位進行的基因療法，也可以在體外改造血紅細胞并回輸人體內(nèi)的療法（亦稱細胞療法）。由于涉及人工細胞的設計改造以實現(xiàn)特定治療功能，因此屬于合成生物學范疇。基因治療在臨床治療中非常有潛力，是合成生物學在醫(yī)學領域應用的重大成果，許多不治之癥有望得到緩解，近期案例包括：

2017 年，Sangamo 公司開展了全球首例人體內(nèi)基因編輯治療[13]。44 歲的 Brian Madeux 患有先天新陳代謝異常疾病亨特氏綜合征，被通過靜脈注射將數(shù)十億份矯正基因及精準基因編輯工具注入患者體內(nèi)。研究人員表示治療效果很好，沒有出現(xiàn)嚴重的副作用或安全問題。2018 年2月，Sangamo 公司被批準實施第二位患者的體內(nèi)基因治療。

輝瑞公司在臨床實驗中用鋅指轉(zhuǎn)錄因子（ZFP-TFs）來治療 C9ORF72 基因突變引起的肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（ALS），也稱為漸凍人癥，以及另一種叫額顳葉大葉性變性（FTLD）的神經(jīng)變性疾病[14]。

賽諾菲集團旗下子公司 Bioverativ 從患者體內(nèi)收集造血干細胞（HSCs），然后利用 ZFN 技術(shù)在體外對調(diào)控 BCL11A 基因的紅細胞增強子進行精確切割，促使 BCL11A 基因的表達下降。接受過基因編輯的 HSCs 會被重新注回患者體內(nèi)，它們可以繼續(xù)增殖并且分化為成熟的血紅細胞，從而緩解鐮狀細胞病患者的癥狀。這種自體細胞療法的優(yōu)勢在于不依靠病毒載體對基因進行編輯，從而避免病毒載體可能帶來的副作用[14]。

英國制藥公司 Shire 開發(fā)出了亨廷頓氏病基因療法。亨廷頓氏病是由單個基因 htt 基因中的特定類型突變引起的。該療法通過鋅指蛋白特異性下調(diào) htt 突變體基因，從而選擇性地抑制突變型亨廷頓蛋白（HTT）的表達，同時保持正?；蚩截惖谋磉_水平不變，以期逆轉(zhuǎn)亨廷頓氏病的癥狀，阻止病情惡化。該療法目前正在臨床前研究階段[14]。

除了治療目的，還有生物黑客正利用基因治療技術(shù)改造自身細胞，期望獲得增強的人體功能。例如，原 NASA 科學家 Josiah Zayner 采用 CRISPR 技術(shù)，在自己身體內(nèi)引入 Myostatin 基因突變，以增強肌肉生長。還有生物黑客在自己視網(wǎng)膜引入視紫紅質(zhì)基因，試圖增強視力[15]。

2.2 人工細胞用于腫瘤診療

人工設計改造的免疫 T 細胞正在成為強有力的癌癥藥物，腫瘤細胞免疫治療被認為是 2017 年全球生物科技最大“風口”，癌癥免疫療法還拿下了 2018 年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。繼以 PD-1/PD-L1 為代表的免疫檢查點抑制劑藥物在癌癥研究和治療領域大放異彩，CAR-T 療法更成為有望戰(zhàn)勝癌癥的重磅武器。CAR-T 技術(shù)，即采用人工合成的嵌合抗原受體（chimeric antigen receptors，CARs）在體外工程化改造T細胞。與天然的生理抗原受體不同，CARs 可以被工程化設計，識別腫瘤特異的蛋白質(zhì)、糖脂、HLA 多肽復合物等。人工設計改造后的 T 細胞經(jīng)過擴增再回輸患者體內(nèi)，特異性識別、結(jié)合、殺傷癌癥細胞，從而達到靶向治療的目的。

在臨床應用領域，CAR-T 療法當前在全球正在進行 307 項臨床試驗，其中 164 項來自中國。2018 年 7 月，美國批準了諾華公司的 Kymriah（曾用名 CTL019）這一全球首個 CAR-T 產(chǎn)品上市，用于治療急性淋巴細胞白血病，Kymriah 產(chǎn)品定價為 47.5 萬美元。Kite 公司的Yescarta（KTE-C19）也緊隨其后獲批上市，產(chǎn)品定價 37.3 萬美元。

我國研發(fā)單位在激烈的全球競爭中不落下風，臨床試驗數(shù)量約占全球一半，靶點除 CD19 之外還包括 MCU-1、EPCAM 和 GPC3 等最新靶點。中國人民解放軍總醫(yī)院（301 醫(yī)院）已于 2014 年開始了相關臨床試驗，其研發(fā)管線也最為豐富；四川大學華西醫(yī)院、第三軍醫(yī)大學西南醫(yī)院、上海腫瘤研究所與仁濟醫(yī)院等也取得了良好療效。國內(nèi)進入 CAR-T 領域的公司有藥明巨諾、復星凱特、上海昆朗、上海比昂、科濟生物、優(yōu)卡迪、恒潤達生、中源協(xié)和、南京傳奇、南京凱地、北京馬力喏、西比曼和博雅控股等。

CAR-T 技術(shù)在新靶點尋找、實體瘤攻克、通用型生產(chǎn)等方面，仍需不斷改善。在基礎研究領域，科學家也在利用合成生物學手段，不斷設計性能更優(yōu)的人工細胞。近期研究進展包括：

深圳市第二人民醫(yī)院團隊利用邏輯“與門”及“信號連接器”概念，設計構(gòu)建基因線路進行膀胱癌細胞識別和治療。該團隊利用 CRISPR-Cas9 系統(tǒng)成功構(gòu)建了攜帶邏輯“與門”的基因線路，利用膀胱癌特異性啟動子 UPⅡ和端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶作為輸入信號：當兩種啟動子均激活時，方可啟動下游信號（如熒光素酶）的表達，從而將膀胱癌細胞與其他細胞實現(xiàn)有效區(qū)分；當輸出信號為細胞凋亡相關分子，則還可實現(xiàn)特異性殺傷目的。該研究為膀胱癌和其他腫瘤檢測和治療提供了一個標準化的合成生物學平臺，對開發(fā)新的腫瘤生物治療器件具有重要的指導意義。該團隊還創(chuàng)造性地提出“信號連接器”概念，即將發(fā)揮內(nèi)源蛋白識別功能的核酸適配體 RNA 與發(fā)揮靶點 mRNA 識別功能的引導 gRNA 連接，這種新型“信號連接器”可在細胞內(nèi)特異性識別癌信號通路關鍵蛋白分子，并進一步借助 gRNA 靶向抑制癌信號分子的翻譯效率，從而在診斷上定量檢測多個層面的生物信號，綜合判斷膀胱癌細胞所處的疾病狀態(tài)，并在治療上利用重新構(gòu)建的基因線路替代膀胱癌細胞內(nèi)原已受損的基因線路使細胞恢復到正常狀態(tài)，從而達到了精準診斷、特異高效治療腫瘤的目的[16]。

加利福尼亞大學團隊合成了細胞感應分子——Notch（包含新的外部傳感部件和新基因活化部件）用于殺死腫瘤細胞。研究表明，Notch 分子可以讓細胞在體內(nèi)識別多種分子并打開特定基因的響應。例如，細胞會感應分子損傷并打開刺激修復的基因，或感應癌癥相關分子并激活相應功能基因，促使免疫系統(tǒng)殺死腫瘤細胞。它們還可用于感應微小人造支架的蛋白質(zhì)，令細胞分化填充膀胱、肝臟或生成替代器官[17]。

基于癌細胞與正常細胞的基因表達譜的顯著差異，麻省理工學院團隊研發(fā)了自動檢測癌癥信號的合成基因線路，專門區(qū)分癌細胞和非癌細胞，觸發(fā)機體免疫系統(tǒng)攻擊癌細胞。利用病毒載體將基因線路呈遞給目標細胞后，合成啟動子就會與腫瘤細胞的特定活躍蛋白結(jié)合，完成自身活化；當兩種癌癥啟動子同時被激活后，基因線路才會自動打開；隨后，各種功能蛋白（細胞表面蛋白、細胞因子、趨化因子等）就會引導 T 細胞識別和殺死腫瘤細胞[18]。

2.3 人工細胞用于代謝疾病診療

人工設計的細胞能夠感知代謝疾病的特異信號或人工信號，特異性表達報告分子或釋放治療藥物，從而實現(xiàn)對人體生理代謝狀態(tài)的監(jiān)測，以及對典型疾病的診斷與治療。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學團隊利用人類的腎臟細胞（HEK-293 細胞），設計獲得了具有正常 β 細胞功能的人工 HEK-β 細胞。這種細胞可以直接感受血液中的葡萄糖濃度，當血糖濃度超過一定閾值后，HEK-β 細胞便可以分泌足夠的胰島素用來降血糖。該團隊還構(gòu)建了光控合成生物學線路，有效控制了糖尿病小鼠體內(nèi)的血糖濃度。此外，結(jié)合納米技術(shù)、生物技術(shù)與信息技術(shù)，可用射頻信號、手機程序等手段遠程激活應答調(diào)控系統(tǒng)，也可控制胰島素的釋放。這些研究為動態(tài)調(diào)控人工細胞應用于人類糖尿病治療提供了有力支持[19]。

華東師范大學團隊構(gòu)建了一株含有胰島素傳感器的穩(wěn)轉(zhuǎn)細胞系 HEKIR-Adipo，并通過微囊包裹技術(shù)將其移植到胰島素抵抗性糖尿病、肥胖癥、飲食誘導性肥胖癥等多種高胰島素血癥小鼠模型中。人工細胞能高效識別、自我回饋調(diào)節(jié)血液中胰島素水平，當血液里的胰島素超過一定閾值后，其可以調(diào)控表達脂聯(lián)素（Fcadiponectin），從而緩解胰島素抵抗癥狀，起到治療效果。研究人員還設計合成了遠紅光調(diào)控基因表達的定制化細胞，該定制化細胞在遠紅光的照射下，可以被激活表達任何想要的報告基因或藥物蛋白基因，如產(chǎn)生綠色熒光蛋白或胰島素等。當研究人員將遠紅光控制胰島素表達的定制化細胞移植到糖尿病小鼠皮下時，給予糖尿病小鼠直接遠紅光照射，可以激活皮下移植的細胞表達胰島素并起到良好的降血糖效果[20]。團隊進一步設計開發(fā)了糖尿病診療一體化智能控制系統(tǒng)：小鼠的血糖值由血糖儀讀取獲得后，可通過藍牙無線發(fā)送到定制的智能控制器和智能手機中。當血糖值高于預先設定的安全血糖閾值時，智能控制器可以點亮移植在小鼠體內(nèi)含有定制化細胞的水凝膠 LED 復合體，從而激活定制化細胞產(chǎn)生胰島素或 GLP-1 達到降血糖并維持血糖穩(wěn)定的作用，最終實現(xiàn)自動診斷、精準治療的目的[21]。在另一項研究中，該團隊將齊墩果酸（OA）的藥理學活性和胰高血糖素樣肽（shGLP-1）的改善胰島素抵抗、改善肝功能、改善胰腺功能完美集合起來。構(gòu)建優(yōu)化的基因線路，經(jīng) OA 誘導可以精準調(diào)控 shGLP-1 的表達，使得肝源性糖尿病模型小鼠的糖耐受、胰島素抵抗、高血糖癥、脂代謝紊亂，以及肝功能紊亂等多種代謝異常癥狀同時得到有效改善[22]。

2.4 人類生殖細胞的設計改造

設計修改人類生殖細胞或胚胎的基因，能夠在嬰兒出生之前就清除致命疾病，因而未來前景廣闊。但由于涉及對人類胚胎的操縱，且修改后的基因可以遺傳，因此該方面的研究存在一定的安全風險及倫理法律爭議。

2015 年，中山大學研究人員使用 CRISPR 基因編輯技術(shù)，修正人類胚胎中導致 β 型地中海貧血的基因。研究選用的是來自志愿者的廢棄且不能正常發(fā)育的胚胎[23]。2016 年 4 月，廣州醫(yī)科大學附屬第三醫(yī)院團隊成功使用 CRISPR 編輯技術(shù)對人類胚胎進行基因編輯，精確定位切除了 CCR5 基因的 32 個堿基，使得部分胚胎獲得了對艾滋病病毒的免疫能力[24]。2017 年 8 月，美國俄勒岡健康與科學大學等團隊合作使用基因編輯工具 CRISPR 系統(tǒng)，完成了對人類胚胎中導致肥厚型心肌病的 MYBPC3 基因突變的安全修復[25]。該技術(shù)還能夠編輯修復其他高外顯率的疾病基因，如引起囊腫性纖維化或乳腺癌的相關基因。胚胎基因編輯技術(shù)與體外生殖及移植前基因診斷技術(shù)相結(jié)合，將能夠徹底預防遺傳疾病傳播給子孫后代。

2.5 用于人工細胞設計合成的使能技術(shù)的發(fā)展與動物模型的研究進展

人體細胞作為高等真核細胞的一種，具有多樣性、多細胞性、復雜調(diào)控、細胞分化、亞細胞區(qū)室化等特殊性質(zhì)，為合成生物學提供了無限可能。DNA 的高效遞送及靶向穩(wěn)定整合、基因編輯、人工染色體設計合成、豐富多樣的基因調(diào)節(jié)、區(qū)室隔離的代謝反應等使能技術(shù)的成熟發(fā)展，將極大促進人工設計的人體細胞在醫(yī)學領域的應用。由于篇幅所限，在此不作詳細介紹。

動物模型研究對于臨床研究必不可少，可為其提供技術(shù)范本和理論依據(jù)?？茖W家將基因編輯技術(shù)與體細胞核移植技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建獲得了一批動物模型，自 1996 年第一只體細胞克隆綿羊“多莉”誕生后，小鼠、牛、山羊、豬、貓、兔、騾、馬、大鼠等多種哺乳動物的體細胞克隆相繼獲得成功，但犬與猴的克隆難度較大。近年來中國科學家在這些方面取得突破，中國科學院神經(jīng)科學研究所團隊成功培育出世界上首對體細胞克隆猴，靈長類動物模型的建立對于腦疾病領域的研究意義非凡[26]。中國科學院廣州生物醫(yī)藥與健康研究院團隊以 ApoE 基因敲除犬的耳部皮膚成纖維細胞作為核移植供體，構(gòu)建了世界首個基因敲除體細胞克隆的動脈粥樣硬化狗模型[27]；該團隊還把人突變的亨廷頓基因粘貼到豬的亨廷頓基因中，獲得的小豬模型不僅具有大腦中特異神經(jīng)元選擇性死亡這個特征，而且能表現(xiàn)出類似舞蹈樣的異常行為，這些病理特征及異常行為都可以穩(wěn)定地遺傳給后代，從而為臨床研究提供了可靠的動物模型[28]。

3 合成生物診療的未來展望

人工改造的活細菌、活細胞、病毒/噬菌體可能是迄今為止人類開發(fā)的最復雜的“藥物”，有望解決一些至今讓醫(yī)學界束手無策的疾病。從近年趨勢來看，合成生物診療未來將迎來更多的臨床試驗和商業(yè)開發(fā)。

在大規(guī)模開展臨床試驗的同時，合成生物學作為一門新興學科，我們也不能忘記把目光重新聚焦于基礎研究。例如，盡管 CAR-T 腫瘤免疫治療當前非常熱門，但在頂級期刊 Nature Medicine（《自然醫(yī)學》）上剛剛發(fā)表了一個令人震驚的 CAR-T 細胞治療后復發(fā)的臨床案例[29]，這一技術(shù)意外搞出了“CAR-癌細胞”：其原因是本該加到 T 細胞上、幫助 T 細胞特異性識別 CD19 并抓住癌細胞的 CAR（嵌合抗原受體），意外地被加到患者癌變的 B 細胞上，形成了“CAR-癌細胞”；加到癌細胞上的 CAR 會與癌細胞表面的 CD19 結(jié)合，讓 CAR-T 細胞失去了識別癌細胞的靶標，這名患者最終由于“CAR-癌細胞”大量增殖導致死亡。

因此，對人工活體藥物的理性設計、精確定量控制、體內(nèi)體外功能的預測、從基因到表型的機制，以及活體藥物進入人體內(nèi)的命運等，還需要更加深入的研究?；铙w藥物設計改造應充分考慮宿主細胞、表達系統(tǒng)、基因線路控制、系統(tǒng)魯棒性等因素，以期達到更好的時間和空間上的可控性，使治療更具針對性。未來，合成生物學基礎研究的深度很大程度上將決定臨床應用的成敗。

合成生物診療技術(shù)在進步的同時，也需要政策與倫理研究的跟進，以保證這種革命性的技術(shù)健康有序發(fā)展。相對于其他治療方式，合成生物學診療涉及一些新的倫理與安全問題。2016 年，美國 FDA 出臺了一份指南[30]，明確闡明了一些以食物或膳食補充劑合法問世的活性生物療法產(chǎn)品（live biotherapeutic product，LBP）能怎樣被用于研究，并解釋了研究人員在早期臨床試驗中，要滿足怎樣的生產(chǎn)要求，才能將益生菌當作藥物。

我國在這方面的監(jiān)管仍需加快布局，確保在現(xiàn)有的監(jiān)管體系內(nèi)建立起現(xiàn)代、高效的評估政策。一方面充分發(fā)揮活性生物療法產(chǎn)品的潛在益處，另一方面也了解其中的特定風險。合成生物診療產(chǎn)品還需要更多的研發(fā)，需要精心設計的臨床試驗來確保這些產(chǎn)品的安全性與有效性，從而釋放合成生物學在醫(yī)學應用中的潛力，造福個體與公眾健康。