小分子及蛋白質藥物是傳統意義上的治療方式，其內在的生物活性一般透過藥物化學、蛋白質工程或藥物遞送的方式來增強，以達到治療效果和安全性。雖然這些方法能夠發現和開發改變生活的藥物，但在眾多人類疾病中仍有許多未滿足的臨床需求。
合成生物學方法類似於藥物化學方法，透過引入合成基因電路來生成工程化活體療法（Engineered Living Therapies，ELT），從而實現多種細胞型別的功能化。這些工程化的細胞能夠控制治療所需的劑量以及時間，以響應特定疾病的生物標誌物。
近日，來自哈佛大學 Wyss 研究所的 James Collins 教授、MIT 的盧冠達教授（James J。 Collins）以及來自合成生物學公司 Synlogic、Artizan Biosciences、Intergalactic Therapeutics 的幾位作者共同發表了題為 “Engineering living therapeutics with synthetic biology” 的綜述。
文章首先描述瞭如何使用合成生物學方法使人類不同型別細胞功能化；其次還描述了基於人類細胞及微生物細胞建立工程活療法；除此之外，文章中還分析了可提供自主、正交和永續性治療方案的工程化細胞開發的未來前景。
用於改造細胞的遺傳電路
生物可以執行特定的任務，並且適應不斷變化的環境，這些都是因為遺傳電路的存在。
遺傳電路可以
解構為更簡單的功能單元或模組，具有定義的輸入和輸出
。一般包括輸入模組、運算模組，以及輸出模組。
這些模組的組合和整合能夠建立複雜的合成系統，重新程式設計整體細胞行為以支援所需的應用。
首先，
輸入模組
檢測生物或非生物訊號並將它們轉換為可解釋的分子訊號；其次，
運算模組
計算來自輸入模組的傳輸訊號並確定適當的行為；最後，輸出模組將計算出的訊號轉換為所需的細胞反應。
例如，翻譯可以被視為兩個輸入（mRNA 和核糖體）和一個輸出（蛋白質）的功能模組。由於這種模組化，系統的整體行為可以表示為一組相互關聯的操作。使用該框架，合成生物學家可以使用先前已表徵的遺傳部分獨立設計、測試和表徵新的功能模組。這也實現了將功能模組整合到更復雜的遺傳電路中。
引入到活細胞中的遺傳電路元件被設計為具有輸入和輸出的功能模組。這些感測模組的初始輸入可能包括環境或疾病生物標誌物。識別後，輸出模組可以進行響應，以驅動工程細胞的治療行為。例如，升高的血糖可以作為輸入，葡萄糖轉運蛋白和它的訊號級聯可以感知，從而驅動胰島素的表達。胰島素釋放後血糖水平的降低透過反饋控制負向調節迴路活動。這些感測和處理模組的架構可以包括各種邏輯閘，
以指定治療反應的靈敏度、靈活性、強度和時間。
工程化的細胞必須能夠感知並響應環境線索或者疾病生物標誌物。後者會編碼關於其位置、響應疾病狀態和啟動適當治療反應的時間的資訊。為此，合成基因電路必須包括感測器元件、訊號處理 / 轉導元件和控制元件，以調整所需的動態響應。
遺傳電路的使用是基於細胞的療法的一個重要特徵。這些策略可以解決傳統療法的一些侷限性 —— 缺乏靈活性、特異性和可預測性。基因電路的設計在哺乳動物細胞和細菌中具有相似的原理，但用於工程策略的分子工具包不同。
工程化細胞 / 菌
使用人類細胞作為工程遺傳電路的底盤代表了生物工程的重大進步，工程化人類細胞還為外源性治療方案提供了天然的細胞內環境，促進與生理相關分子過程（例如翻譯後修飾）和與疾病治療直接相關的生化途徑（例如作為致癌訊號）。
文章中根據不同的底盤細胞分類，介紹了不同型別的工程化人類細胞，包括組織駐留型、植入型以及迴圈工程細胞。
其中，迴圈工程細胞是為了解決癌症而發展起來的，包括根據不同方式設計的 CAR-T 細胞。比如可控的 CAR-T 細胞、靈活的 CAR-T 細胞、選擇性 CAR-T 細胞，以及集以上功能於一體的 CAR-T 細胞。
微生物細胞也可以透過合成生物學方法進行操作，並輸送到人體以預防或治療疾病。因其易於操作、代謝簡單的特點，微生物系統已經成為合成生物學發展不可或缺的一部分。
用於開發治療性平臺的細菌菌株通常取決於兩個因素：菌株的安全性以及對基因操作的適應性。
比如，乳酸菌已經被認為是將有效荷載遞送到人體組織的無害載體。特別是乳酸乳球菌，經常作為發酵乳製品的一部分食用，已被廣泛開發為具有工業和臨床應用的基因工程工作的宿主。同樣，各種大腸桿菌菌株也已廣泛用於活體治療應用。
作者在文章中介紹了在腸道和腫瘤環境中起作用的工程細菌療法的進展。包括工程細菌作為效應分子的傳遞載體、腸道生物標誌物的細菌活生物感測器、代謝紊亂的工程細菌療法、以及腫瘤相關的工程菌等。
工程化細胞的發展趨勢
合成生物學已經被證明在難治性疾病上有了進步，作者簡述了工程化細胞的發展趨勢。但文章也指出，
目前以細胞層面開發的治療方式還未得到廣泛應用，因此在製造和臨床開發方面依舊面臨挑戰。
自動化
負反饋控制的基因電路可以自主地糾正疾病驅動的對健康生理的干擾，如糖尿病和甲亢等複雜疾病。閉環感知和反應治療系統根據預定義的設定點自我調節其活動。一旦實施，這些系統將不再需要額外的指令。得益於這種設計原則，可以應用於減輕細胞療法的毒性（如 CAR - T 細胞的細胞因子釋放綜合徵）。
正交性
合成生物學的主要目標之一是對新的細胞功能進行程式設計，通常會使用源自天然生物系統的構建塊。這會導致合成和內源性途徑之間的串擾問題，從而損害預期功能的保真度。從不同的生物體中選擇正交模組進入人類細胞（例如細菌雙組分系統）是改善與內源過程串擾的一種方法。
永續性
許多工程化活體療法的成功應用將依賴於引入細胞在體內的永續性。微生物群代表了一個生態位，在這個生態位中，合成工程的共生底盤可以被誘導植入並無限期地持續存在，只有在感知到預先確定的病理線索或線索組合時，才具有響應和啟用效應電路的內建能力。工程基因電路的穩健、長期功能也是永續性的重要考慮因素。例如，合成結構中的重複 DNA 元件會導致遺傳不穩定性和預期活性的喪失，而設計非重複元件將有助於構建越來越複雜的電路。
文章的最後，作者表示，工程化活體療法正處於拐點，過去傳統藥物難以解決的重大生物醫學挑戰正在由生物工程的方式解決。人類和微生物細胞可以透過基因改造來糾正內在缺陷或釋放它們的治療潛力。
參考資料：
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