中国科学家用基因给CAR-T加个开关，可实现“三位一体”攻击肿瘤
不可控性一直是 CAR-T 的一大风险。CAR-T 细胞不受控地增殖有时会触发细胞因子释放综合征（CRS），这种炎症因子在体内的释放会导致从轻度发烧到危及生命的器官衰竭等多种毒性。
合成生物学的工程化思维和可控基因线路的出现，为 CAR-T 疗法带来了新的改造思路。
近日，华东师范大学生命科学学院叶海峰教授团队在《美国科学院院报》（PNAS）上刊文，构建了一种白藜芦醇调控转基因表达的转录调控系统（ON/OFF），通过白藜芦醇调控 T 细胞中 CAR 的表达（ON）与抑制（OFF），从而实现可控的 CAR-T 细胞免疫治疗。
借此机会，生辉 SynBio 邀请到了文章的通讯作者叶海峰教授，与我们分享他在合成生物学领域的研究以及对合成生物学在医疗领域应用的见解。
图丨叶海峰教授（来源：受访人提供）
叶海峰 2007 年于华东师范大学获得理学硕士学位，后赴瑞士苏黎世联邦理工学院留学，师从 Martin Fussenegger 院士，2012 年获得生物系统工程系博士学位，并继续进行博士后研究工作，2013 年被授予瑞士苏黎世联邦理工学院最高荣誉奖章 ——ETH Silver Medal。
叶海峰现任华东师范大学生命科学学院副院长、医学合成生物学研究中心执行主任，主要从事合成生物学与生物医学工程领域的研究，利用合成生物学的理念和方法对细胞进行遗传学改造和重编程，重新设计、构建智能基因网络调控系统用于疾病的精准治疗。
可控的 CAR-T 细胞
叶海峰团队以白藜芦醇作为开关分子设计了两种 CAR-T 细胞，分别包含可以控制 CAR-T 细胞失活和激活的基因线路，对应两种不同的应用场景。当 CAR-T 细胞在体内过度激活，产生细胞因子风暴等副作用时，白藜芦醇可启动让细胞失活的基因线路，将其沉默；反之，可以先注射失活的 CAR-T 细胞，再通过白藜芦醇进行浓度依赖性的激活。
图丨白藜芦醇调控 T 细胞中 CAR 的失活（上图）和激活（下图）（来源：研究论文）
合成生物学的优势之一就是可编程的基因线路，小分子化合物、生物大分子、光、热、磁等都可以作为开关，也可以设计智能化闭环传感器，叶海峰告诉生辉 SynBio，实验设计之初就以临床为目标，所以需要选择一种绿色天然、被 FDA 批准或者已经在临床是被广泛应用的分子作为开关。
“我们设定了两个课题，一个是'喝茶’，一个是'喝酒’。”
白藜芦醇便是葡萄酒或葡萄汁中的生物活性成分，在自然界主要存在于葡萄叶及葡萄皮中，研究表明其具有抗氧化、抗炎等功能，并且白藜芦醇作为保健品已经在欧美市场出售。另一种从绿茶中筛选出的小分子是原儿茶酸，除了茶之外，还天然存在于许多蔬菜和果实中，并且是很多中药（如丹参、芙蓉等）中的有效活性成分。
2019 年，叶海峰团队在 Science Translational Medicine 上刊文，介绍了以原儿茶酸为开关，调控工程细胞释放胰岛素，维持糖尿病动物模型的血糖稳定的研究。
图丨（来源：叶海峰实验室主页）
合成生物学的基因线路具有通用性，上述的基因线路理论上可用于其它疾病的诊断和治疗，因此叶海峰也计划建立一个细胞控制线路技术平台，将现有的绿色小分子开关、各种光控开关集合在一起，类似于合成生物学元件库，以更好的推广和应用。
光遗传学开关与小分子开关
叶海峰告诉生辉 SynBio，肿瘤免疫治疗是课题组转型后的研究方向之一，在此之前，团队做了大量糖尿病血糖稳态控制相关的研究工作，目前的最新进展是：利用半导体合成生物学理念和光遗传学技术，根据血糖实时动态数据，进一步控制光照来激活移植体内定植的工程细胞，释放胰岛素，达到血糖稳态控制的目的。
图丨能手机远程控制血糖稳态设计示意图（来源：叶海峰实验室主页）
叶海峰表示，相比于当前的胰岛素治疗方案，光控方法具有一定优势，以 1 型糖尿病为例，长期的胰岛素注射治疗十分痛苦，难以坚持，多次注射也会使注射部位纤维化，而植入型的设备，可以在光照条件下自动释放胰岛素，无需其他操作。
目前市场上已有多款皮下植入微型葡萄糖传感器获 FDA 批准，不过，植入型生物传感器依然面临一些挑战，例如：有植入后体内异物反应、长时间供电问题等。此外，无创血糖监测也是现下研究热点。
上述的小分子开关和光遗传学开关线路是实验室的两大使能技术研究方向，叶海峰介绍道，像原儿茶酸或者白藜芦醇这类绿色小分子诱导物对全身性疾病治疗会更有优势；而光是一种远程、无痕、具有高度时空特异性的物质，在特定空间位置上做基础研究或局部疾病治疗上比小分子诱导物治疗更具优势。
当然，现有光遗传技术也存在一定的局限性，例如光控模块大、光控开关灵敏度低、蓝光组织透性差等问题；或者是针对一些需要全身治疗的疾病，如白血病，光疗法并不是一个最佳选择。
“所以，两种治疗方式各有优缺点，互为补充，未来应该是齐头并进的，光控的基因线路需要突破在体内应用的局限性，小分子调控的基因线路需要找到更加安全健康的诱导物，或者提高系统的灵敏度、系统响应速度等，以更适用于临床转化。”
基于合成生物学的智能细胞疗法
目前上述的几个实验还处于临床前研究阶段，叶海峰计划在两年内成立一家医药公司，将这些研究推进到临床阶段。
叶海峰介绍到，从动物研究到临床研究，还有一些问题亟需解决，比如体内定植细胞的稳定性和可持续性以及移植细胞的免疫排斥等。
“维持血糖稳态只是光遗传学控制系统的应用场景之一，后续计划将这个系统用于开发肿瘤免疫的治疗，例如将光控基因线路装载至腺相关病毒 AAV 中，或者装载到某些底盘细胞如益生菌中，从临床转化的角度看，其可行性更高。”
“在肿瘤领域，需要有更多的尝试，我们接下来的目标是转向肿瘤治疗领域，利用合成生物学的控制技术，做智能化、可控化的细胞疗法或基因疗法。”
基于合成生物学技术，叶海峰还提出了 “智能化电子药物系统” 和 “智能细胞药物工厂” 的概念。
“智能化电子药物系统” 是一种集诊断、分析和治疗一体化的植入型设备，由生物和电子的系统组成，口服或移植到体内之后，能够实时监测各种疾病的代谢指标，并根据需求精准释放治疗性药物分子，医生、病人和家属都可以通过手机 APP 等智能终端进行可视化操作。
“智能细胞药物工厂” 是指通过人工基因线路的设计与编程指导底盘细胞输出多种多样的蛋白药物分子，例如：酶、抗体、激素等。肿瘤免疫治疗需要长期、精准、可控地释放药物，通过不同的指令可以控制细胞释放多种药物进行联合治疗，三位一体地攻击肿瘤，此外也可以通过激活宿主自身免疫系统，释放各种免疫因子等。
此前，MIT 合成生物学中心主任 Ron Weiss 在接受生辉 SynBio 采访中，也表示正在研究能够自主识别目标和自我复制的 mRNA 药物。
合成生物学技术为当前疾病疗法带来了更多的可控性和智能性，而其出色的跨学科交叉能力也带来了更多的可能性。