细胞工程的新时代：利用细胞的模块性来编程复杂的生物功能

细胞与基因线路设计 2022-11-30 17:15 发表于广东 如有侵权，请联系。

当我们探索如何利用生物学知识来解决医学中的各种问题时，最具创新性的概念之一是活细胞可以被设计来执行治疗功能。我们现在也有成套技术来改写基因组和转染DNA，但应该用这些方法编写什么样的生物代码？怎样才能学会对细胞进行编程，让它们像自然进化的细胞一样精确可靠地执行有用的功能？除了癌症或免疫之外，我们如何扩大细胞工程应用的治疗范围？也许有一套更通用的原则、组件和方法可以用来对细胞进行功能编程，无论目标是设计一个免疫细胞来消除逃避性肿瘤，还是设计一组可以再生为新器官的细胞。 

2022年11月24日，加州大学旧金山分校合成免疫学中心主任Wendell A Lim教授在Science发表了题为“The emerging era of cell engineering: Harnessing the modularity of cells to program complex biological function”的综述，重点讨论了使用分子组件作为模块来重新编程细胞的工程，以实现体内更高层次的生理功能。

图1 以细胞为中心的观点，编程复杂的生物功能

进化通过基因改变产生了一系列重要的生物功能。那么如何合理地改变生物行为？理解遗传信息和生理功能之间关系的障碍之一是生物系统复杂的多尺度性质（图1）。尽管所有的功能都是由基因及其控制元件编码的，但更高层次的功能的表达取决于多种多样的环境。因此，执行任何一个生理功能的遗传成分往往在不同的空间和时间尺度以及不同的细胞中发挥作用。尽管生物学的所有尺度都很重要，但细胞功能和连接性的中间尺度可能被证明是最实用的尺度，可以在此进行干预以创造新的生物功能（图1）。细胞毕竟是作为生命的基本单位而发挥作用的分隔物，为将细胞视为复杂功能的关键构件提供了有力的论据。

图2 细胞工程的基本工具箱

许多复杂的生物功能最终取决于细胞在多细胞系统中如何相互作用和交流，因此从逻辑上讲，许多新的功能可能来自细胞间相互作用的变化，而不是新的细胞内在功能的发展。值得注意的是，细胞之间相互交流的渠道也是有限的（发送和接收系统），而细胞作为经历的重要状态变化也是有限的（生长、死亡、分泌、表达、迁移、粘附等）（图2）。因此无论是在进化还是工程化中，专注于重新连接细胞的外部输入和输出特性，提供了一个概念上更简单的框架，将分子尺度的部分与生理功能联系起来。

大多数细胞与细胞之间的相互作用是非常复杂的，但它们仍然可以被分解为一组核心的常见原始细胞状态变化。从这个角度来看，构建细胞工程主要目标的另一种方式是能够可控地“按下细胞的按钮”，以触发适当的核心调控变化（图2）。嵌合受体，如用于T细胞的嵌合受体，提供了一种正交的方式，将特异性表面抗原的识别与诱导内源性T细胞杀伤反应联系起来。光遗传学或化学遗传学控制的受体提供了一种使用正交的光或小分子输入来触发下游反应的方法。

在过去的几年里，越来越多的正交细胞-细胞连接组件被开发出来，而且更多的组件正在研发中。其中包括正交的细胞因子受体系统，它能可控地诱导T细胞增殖。其他正交的细胞-细胞信号配体和受体系统也已被开发出来。合成Notch（synNotch）受体和其他结合触发转录的受体提供了一种特别灵活的方式来进行细胞调节。简而言之，该系统可用于快速创建一系列全新的调控联系，产生工程细胞，通过产生所需的输出对特定的输入作出反应。

到目前为止，许多内源性的细胞-细胞通讯系统已被证明是可工程化的平台，其中细胞外输入和细胞内反应之间的关系可以灵活地改变。此外，这些工程受体可以在不同的细胞类型中发挥同样的作用，因为下游的细胞内反应机制通常几乎是通用的。这些发现说明了细胞-细胞通讯分子的高度模块化的结构和功能，其中许多分子在进化过程中经历了广泛的模块化重组。

图3 细胞工程潜在治疗领域的扩展

正如在图3中所述，这种细胞工程组件的工具箱可以在不同环境中部署，以设计出对治疗有用的方法。最重要的是那些设计免疫细胞来治疗癌症的系统，也是研究得最透彻的系统。尽管癌症免疫工程的主要重点仍然是识别CAR靶向的抗原，但人们越来越认识到这是一个多层面的问题。为了克服一系列的挑战，抗癌免疫细胞可能需要一种组合方法，即细胞工程工具箱中的多种成分一起使用，以同时解决特异性、肿瘤异质性和肿瘤免疫抑制问题。

随着治疗癌症的免疫细胞工程转向更多的组合解决方案，一个明显的问题是如何将细胞工程工具箱应用于其他类别的疾病。在图3中总结了一系列潜在的和新兴的应用领域，以及可能有用的模块化治疗的细胞程序的类型。工程细胞治疗自身免疫和炎症已经是一个不断发展的领域，涉及的策略从杀死攻击性免疫细胞到重定向抑制性细胞（如Tregs）的行为，再到抑制性有效载荷的靶向递送。其他以组织为基础的疾病，如纤维化，可以被感知纤维化并产生破坏成纤维细胞激活的反应的细胞所治疗。神经系统疾病，包括神经炎症（如多发性硬化症）和神经变性，也是潜在的目标。

细胞工程的另一个日益增长的关注点是合成发展，其焦点是学习如何对功能性多细胞结构的自我组织进行编码。将工程化的形态原和近分泌信号与对分化和细胞粘附的控制相结合，可以为复杂的时空组织提供基础。神经工程是一个令人感兴趣的未来领域，人们可以应用同样的方法和工具来连接、自组织或修复大脑回路。另一项研究是将细菌作为与哺乳动物细胞和疾病组织相互作用的媒介。微生物组的变化与许多疾病有关，因此，系统地工程化微生物组可能提供强大的治疗途径。这种工程化的细菌/哺乳动物系统与癌症和炎症的治疗也密切相关。

图4 细胞疗法相对于传统分子疗法的优势

细胞可以移动、发出过程并有条件地分泌因子，所以为精确的局部递送因子提供了一个理想平台（图4）。正是由于细胞能够以局部的方式行动，使得多细胞生物体可以重复使用相同的分子系统来控制生物学的不同方面。细胞也有能力扮演组织者的角色，进行决策并召唤其他内源性细胞类型，以协调和定位的方式执行其功能。

工程细胞疗法的另一个潜在优势是，它们有可能以稳态方式对疾病作出反应。生命系统的一个标志是它们有能力实现稳态、自我调节和平衡的反应。几乎在所有情况下，细胞系统都是依靠一个对立的正负调节网络，通过反馈控制来协调，从而实现这些行为的。同样再生过程必须在增殖和细胞死亡之间达到平衡，这样新组织才能出现，而不会导致癌症。如何设计强大的稳态细胞回路仍然是未来的巨大挑战和机遇。

细胞工程也提供了一个机会，可以发明新的方法来克服生物学中固有的障碍。在某些情况下，通过替换而不是修复功能可能更好地解决治疗问题。例如，在一个成熟的生物体中，替换干细胞中的这个基因或对其进行药物干预可能是无用的，因为关键的发育期已经过去。在这种情况下，尝试重塑发育可能更有效。例如，设计一种干细胞，它可以识别缺陷组织上的特定信号，并利用这些信号作为触发器，建立新的合成形态发生区域以指导再生。在这种创造新功能的情况下，必须知道如何应用细胞网络的原则和模块。

生物工程的一个新时代正在出现，其中活细胞被用作应对治疗挑战的组成部分。这些尝试有别于传统的分子工程：它们的重点不是优化单个基因和蛋白质作为治疗手段，而是使用分子组件作为模块来重新编程细胞怎样做出决定和沟通，以实现体内更高层次的生理功能。这种以细胞为中心的方法是由一个不断增加的组件工具箱促成的，该工具箱可以综合控制核心细胞水平的功能输出。这种重塑细胞连通性的工具箱正开始被用于设计治疗其他一系列疾病的细胞疗法，并对组织和器官的自我组织进行编程。这些工作通过将复杂生物功能的概念提炼成在细胞水平上操作的有限指令集，也揭示了将分子成分与高阶生理功能联系起来的基本逻辑。

虽然细胞工程领域仍处于起步阶段，但已经有许多经验。首先，设计新的复杂生物功能当然是可能的：细胞可以被编程，在体内执行高度精确的多个步骤和定位的功能。第二，这些新功能中有许多是通过工程化的新的细胞-细胞连接性实现的。细胞外信号系统在本质上是高度模块化的，可以利用这种模块化来创建特定的正交的细胞-细胞通信系统。第三，加速细胞工程进展的关键是开发一个更全面、更强大的工具箱，用于重塑细胞的基本行为。这些细胞-细胞通讯和相互作用的成分在功能上具有高度的普遍性，因此其中许多成分可能被证明在未来不同的应用领域是有用的。第四，细胞工程不是简单地修复或改变自然细胞程序，而是提供了部署模块化细胞反应的新组合来构建非自然细胞系统的可能性，这些系统可以解决具有挑战性的医学问题。