SYNB-1891

合成生物学：问题驱动的多模块知识整合与落地案例深度解析 合成生物学的核心本质，是以真实问题为锚点，反向串联基础生命科学、工程化工具与场景化应用的全链条知识网络，打破知识点的孤立壁垒，让每一个理论模块都有明确的落地路径。以下将通过4个覆盖医疗、工业制造、环境治理三大核心领域的标杆案例，深度拆解如何用真实问题调动多模块知识，实现从理论到产业化的落地。 案例一：新冠mRNA疫苗研发——疫情应急场景下的多学科知识闭环 真实问题锚点（宏观功能） 2020年新冠疫情全球爆发，需在最短时间内开发安全、有效、可快速迭代的疫苗，应对高变异RNA病毒的大流行，解决传统灭活/减毒疫苗研发周期长、应对变异迭代慢的核心痛点。 核心挑战 如何让人体细胞高效表达新冠病毒的保护性抗原，同时触发强而持久的体液+细胞免疫，规避病毒致病性，且能通过模块化替换快速应对病毒变异。 多模块知识串联深度解析（关键生物过程） 本案例完美串联了从基础生命科学到工程化应用的6大核心模块，形成了可复用的疫苗开发知识网络： 1.病毒学与细胞入侵模块（靶点锚定） 基于新冠病毒的入侵机制，明确其通过S蛋白的RBD结构域结合人体ACE2受体完成细胞入侵，因此锁定S蛋白（尤其是RBD区域）为核心保护性抗原，剔除无关的致病序列，为后续疫苗设计提供了精准靶点，解决了“用什么抗原触发保护”的核心问题。 2.中心法则与基因表达调控模块（核心元件设计） mRNA疫苗的本质是将“体外合成的抗原编码mRNA”递送至人体细胞，通过宿主的翻译系统合成抗原，完全围绕中心法则做工程化优化： ￮密码子优化：针对人类密码子偏好性改造S蛋白编码序列，翻译效率提升10-100倍； ￮非翻译区（UTR）优化：筛选人源高效UTR序列，增强翻译起始效率与mRNA稳定性； ￮核酸修饰：引入假尿嘧啶修饰，规避宿主先天免疫对mRNA的降解，同时进一步提升翻译效率。 3.免疫调节与抗原呈递模块（有效性保障） 解决“如何让抗原高效触发保护性免疫，同时控制副作用”的问题： ￮先天免疫调控：通过mRNA修饰与LNP递送系统，平衡mRNA的免疫激活效应，避免过度炎症反应，同时保障抗原呈递细胞（APC）的高效摄取； ￮抗原呈递优化：在S蛋白序列前端加入分泌信号肽，让合成的抗原分泌到胞外，更易被APC识别，同时触发MHC-I和MHC-II呈递通路，同时激活体液免疫（抗体）和细胞免疫（杀伤性T细胞）。 4.递送系统与制剂工程模块（落地关键） 解决“mRNA如何高效进入细胞”的卡脖子问题，串联了脂质化学、细胞生物学、制剂学知识： 设计可电离脂质纳米颗粒（LNP），在酸性内体中发生质子化，促进内体逃逸，将mRNA释放到细胞质中；同时LNP可保护mRNA不被体内核酸酶降解，实现靶向APC的高效递送，是mRNA疫苗从实验室走向临床的核心突破。 5.合成生物学模块化工程模块（快速迭代核心） 完全遵循合成生物学“标准化、模块化、可替换”的核心理念：整个疫苗平台仅需替换抗原编码序列，其余的UTR调控元件、修饰体系、LNP递送系统、生产体系均可完全复用。这也是为何针对德尔塔、奥密克戎等变异株，二价疫苗可在3个月内完成开发并获批的核心原因。 6.病毒进化与免疫逃逸模块（持续迭代支撑） 基于病毒变异的进化规律，追踪RBD区域的突变位点，评估突变对ACE2结合力、抗体中和效率的影响，精准筛选广谱性抗原序列，实现疫苗的迭代更新，将病毒进化的基础理论直接转化为疫苗的优化方向。 落地成果与知识网络复用 辉瑞/BioNTech、Moderna的mRNA疫苗从病毒序列发布到临床获批仅用11个月，是人类史上研发速度最快的疫苗，全球接种超100亿剂。 更重要的是，本案例构建的“靶点验证-元件优化-递送系统-模块化生产”的全链条知识网络，已快速复用至流感、RSV、HIV、带状疱疹疫苗，以及个性化肿瘤疫苗、蛋白替代疗法等领域，形成了可覆盖绝大多数感染性疾病与慢性病的mRNA药物开发平台。 案例二：青蒿素的微生物合成——天然产物工业化制造的标杆 真实问题锚点 青蒿素是WHO指定的疟疾一线治疗药物，传统来源为黄花蒿植物提取，存在产量低、价格波动大、受种植环境与气候影响严重的问题，全球每年仍有超2亿人感染疟疾，亟需稳定、低成本、规模化的青蒿素生产方式。 核心挑战 黄花蒿中的青蒿素合成途径包含十余步植物次生代谢反应，如何将该途径完整、高效地重构到微生物宿主中，实现从廉价葡萄糖到青蒿素前体的高转化率、高滴度合成，最终替代植物提取路线。 多模块知识串联深度解析 本案例是合成生物学代谢工程的里程碑，串联了从天然产物解析到工业化发酵的全链条知识： 1.植物次生代谢与天然产物合成模块（途径解析） 基础研究层面，完整解析黄花蒿中青蒿素的生物合成生源途径：从乙酰辅酶A出发，经甲羟戊酸（MVA）途径生成前体IPP/DMAPP，再聚合为法尼基焦磷酸（FPP），随后通过紫穗槐二烯合酶（ADS）、细胞色素P450单加氧酶（CYP71AV1）、青蒿醛还原酶（DBR2）等8个植物来源的关键酶，逐步合成青蒿酸，最终通过简单的化学半合成得到青蒿素。这一步为微生物异源合成提供了完整的途径蓝图，是整个项目的基础。 2.中心法则与异源基因表达模块（途径重构） 解决“如何让植物来源的酶在微生物宿主中高效、协同表达”的问题，完全围绕中心法则做工程化适配： ￮密码子优化：针对酿酒酵母宿主的密码子偏好性，对8个植物来源的酶基因进行全序列优化，解决异源基因翻译效率低的问题； ￮表达元件配对：为每个基因筛选适配的组成型/诱导型启动子与终止子，协调不同酶的表达强度，避免出现代谢瓶颈； ￮亚细胞定位优化：将部分关键酶定位到酵母的过氧化物酶体中，利用其高浓度乙酰辅酶A前体环境，同时避免中间产物被胞质中的酶降解，途径效率提升超50倍。 3.代谢工程与宿主细胞改造模块（通量优化） 解决“如何让宿主的代谢流最大化流向目标产物”的核心问题，串联了微生物代谢网络、通量平衡分析、动态调控知识： ￮内源途径强化：过表达MVA途径的限速酶tHMG1，打通前体供应瓶颈，胞内FPP前体池提升超20倍； ￮竞争支路敲除：利用CRISPR-Cas基因编辑技术，下调固醇合成途径的ERG9基因表达，减少FPP流向麦角固醇的竞争支路，让更多前体进入青蒿素合成途径； ￮动态代谢调控：设计生长阶段依赖的启动子回路，让菌体在对数生长期优先积累生物量，进入稳定期后自动启动青蒿素合成途径，规避代谢负担对菌体生长的抑制，最终产物滴度提升2个数量级。 4.蛋白质工程与定向进化模块（瓶颈突破） 植物来源的CYP71AV1-P450酶是途径中的核心限速步骤，存在酵母中活性低、电子传递效率差、稳定性不足的问题。通过酶的晶体结构解析进行理性设计，结合定向进化高通量筛选，获得了催化效率提升30倍、稳定性提升10倍的突变体，同时优化了配套的细胞色素还原酶（CPR）的电子传递效率，彻底打通了异源途径的核心瓶颈。 5.发酵工程与规模化生产模块（产业化落地） 解决“实验室小试体系放大到工业级发酵罐的稳定性与经济性”问题，串联了生物反应器工程、发酵工艺优化、下游分离纯化知识： 优化高密度发酵工艺，筛选廉价葡萄糖作为碳源，调控发酵过程中的溶氧、pH、温度与补料策略，实现50m³工业发酵罐中青蒿酸的滴度超25g/L，转化率达到工业化生产要求；同时开发了低成本的提取与半合成工艺，最终实现青蒿素的生产成本降低90%以上。 落地成果与知识网络复用 Jay Keasling团队2006年首次在酿酒酵母中实现青蒿酸的异源合成，2013年赛诺菲实现万吨级工业化生产，目前全球30%以上的青蒿素供应来自微生物合成，彻底解决了全球抗疟药物的供应短缺与价格波动问题。 本案例构建的“天然产物途径解析-异源宿主重构-代谢流全局优化-酶工程定向改造-规模化发酵”的全链条知识网络，已成为合成生物学制造的通用范式，目前已成功应用于紫杉醇、人参皂苷、吗啡、番茄红素、红景天苷等数百种高附加值天然产物的微生物合成，催生了合成生物学制造的千亿级赛道。 案例三：PET塑料高效降解工程菌构建——环境治理的合成生物学解决方案 真实问题锚点 全球每年产生超4亿吨塑料垃圾，其中PET塑料占比超12%，自然降解周期长达数百年，造成严重的白色污染与海洋生态破坏；传统化学回收存在高能耗、高碳排放、产物纯度低的问题，亟需高效、环保、低成本的生物降解技术，实现PET塑料的闭环循环利用。 核心挑战 自然分离的PET降解菌Ideonella sakaiensis降解效率低、热稳定性差、无法处理工业级高结晶度PET，如何通过合成生物学改造，获得可工业化应用的高效PET降解体系，实现废旧PET到食品级单体的完全回收。 多模块知识串联深度解析 本案例串联了酶学、蛋白质工程、代谢工程、合成生态学、环境工程的多模块知识，实现了从“酶的发现”到“工业化降解”的全链条突破： 1.微生物学与酶学基础模块（降解元件发现） 从PET垃圾填埋场中分离得到Ideonella sakaiensis菌，解析其完整的PET降解通路：PET水解酶（PETase）将PET长链水解为中间产物MHET，随后单对苯二甲酸乙二醇酯水解酶（MHETase）将MHET完全水解为对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）两个单体。同时解析了两个酶的晶体结构与催化机理，明确了底物结合口袋、催化三联体的核心功能，为后续的酶改造提供了结构基础。 2.蛋白质工程与定向进化模块（效率核心突破） 天然PETase的最适温度仅30℃，催化效率低，而工业PET处理需在60-70℃下进行（高温可提高PET的无定形区比例，大幅提升酶解效率），因此核心改造目标是提升酶的热稳定性与催化效率： ￮理性设计：基于晶体结构，对PETase的底物结合口袋进行突变改造，扩大口袋空间，增强与PET长链的结合能力；同时在酶的表面引入二硫键，提升热稳定性，最适温度从30℃提升至70℃； ￮定向进化：构建饱和突变库，结合高通量筛选体系，获得催化效率提升300余倍的PETase突变体，可在几小时内完全降解无定形PET； ￮融合蛋白设计：将PETase与MHETase通过柔性连接肽融合，实现两个酶的空间邻近效应，中间产物MHET可被快速水解，避免产物抑制，整体降解效率提升超40倍。 3.代谢工程与宿主改造模块（降解-利用闭环） 天然Ideonella sakaiensis生长慢、难遗传操作，因此将改造后的高效降解酶重构到更适合工业应用的宿主（大肠杆菌、毕赤酵母）中，同时构建完整的代谢通路，实现“降解-转化”的闭环： ￮高效分泌表达：通过密码子优化、强启动子驱动、分泌信号肽设计，让改造后的降解酶高效分泌到胞外，直接作用于PET固体底物，无需破碎细胞，大幅降低工业应用成本； ￮产物利用通路重构：在宿主中引入TPA与EG的代谢途径，让工程菌可将PET降解的两个单体作为唯一碳源，完全转化为菌体生物量，或进一步合成PHA生物塑料、有机酸等高附加值产物，实现塑料垃圾的高值化利用。 4.合成基因回路与合成生态学模块（复杂场景适配） 针对实际垃圾处理中的混合塑料（PET、PE、PS、PU混合）场景，设计合成微生物群落：将降解不同塑料的酶分别构建到不同的工程菌株中，通过群体感应基因回路协调不同菌株的生长与酶表达，避免单一菌株的代谢负担过重，实现混合塑料的协同降解，解决了单一菌株无法处理复杂塑料垃圾的行业痛点。 5.环境生物技术与工业化应用模块（落地与安全） 解决工业化应用中的工艺与生物安全问题： ￮工艺优化：开发连续式酶解反应器，实现废旧PET塑料的连续进料、连续降解与单体回收，单体回收率超95%，纯度可达食品级； ￮生物安全防控：设计营养缺陷型工程菌与自杀基因回路，让工程菌仅能在含有塑料底物的特定环境中存活，逃逸到自然环境中会自动裂解，规避基因工程菌的环境生物安全风险。 落地成果与知识网络复用 法国Carbios公司基于改造后的高效PET降解酶，2024年建成全球首座万吨级PET生物降解工厂，可将废旧PET瓶完全降解为单体，重新聚合为食品级PET，循环利用率接近100%，碳排放较石油基PET降低70%以上；国内蓝晶微生物、中科国生等企业也已实现PET酶法降解的中试放大。 本案例构建的“降解酶发现-理性设计与定向进化-宿主重构-代谢闭环-工业化应用”的知识网络，已快速拓展至PE、PS、PU、尼龙等多种难降解塑料的生物降解技术开发，形成了塑料生物循环的完整技术体系，为全球白色污染治理提供了合成生物学解决方案。 案例四：实体瘤靶向治疗工程菌——活体生物药的合成生物学创新 真实问题锚点 实体瘤占人类肿瘤的90%以上，传统化疗、放疗副作用严重，CAR-T等细胞治疗对实体瘤效果有限，核心瓶颈是实体瘤的免疫抑制微环境、靶向性差、药物难以浸润，亟需能精准靶向实体瘤、原位激活免疫系统、副作用可控的新型治疗方式。 核心挑战 如何让工程菌精准定植于实体瘤的缺氧微环境中，安全、可控地释放治疗载荷，同时逆转肿瘤免疫抑制微环境，触发持久的抗肿瘤免疫，规避对正常组织的毒性。 多模块知识串联深度解析 本案例是合成生物学在医疗领域的前沿方向，串联了肿瘤生物学、基因回路设计、免疫调节、基因编辑、药物开发的多模块知识： 1.肿瘤生物学与微生物-宿主互作模块（靶向机制锚定） 基于实体瘤的核心特征：肿瘤中心存在严重的缺氧微环境、高浓度乳酸与腺苷等肿瘤特异性代谢物，同时兼性厌氧菌/厌氧菌可特异性定植在肿瘤的缺氧区域（正常组织有氧环境中无法大量增殖），这为工程菌的肿瘤靶向性提供了天然的生物学基础，解决了“如何精准靶向实体瘤”的核心问题。 2.合成基因回路与动态调控模块（安全可控核心） 为了让工程菌仅在肿瘤微环境中表达治疗药物，避免在正常组织中泄露表达，设计了多层级的合成基因调控回路，实现了“环境感应-密度感应-可控释放”的全流程管控： ￮缺氧响应启动子：仅在肿瘤的缺氧环境中，启动子才会激活下游治疗基因的表达，正常有氧组织中完全关闭； ￮群体感应回路：仅当工程菌在肿瘤中定植达到阈值菌密度时，才会启动治疗基因的表达，进一步降低正常组织中的泄露风险； ￮自裂解回路：当菌密度达到设定阈值时，自动启动细菌裂解程序，同步释放胞内的治疗药物，同时避免工程菌过度增殖造成的感染风险，实现了治疗药物的脉冲式释放。 3.肿瘤免疫与免疫调节模块（治疗有效性核心） 工程菌的治疗核心是“直接杀伤肿瘤+逆转免疫抑制微环境+触发持久抗肿瘤免疫”，串联了肿瘤免疫、细胞因子功能、免疫检查点的核心知识： 为工程菌设计了多维度的治疗载荷： ￮免疫调节载荷：表达IL-2、IFN-γ、GM-CSF等细胞因子，原位激活肿瘤微环境中的T细胞、NK细胞，同时表达PD-1/PD-L1纳米抗体，阻断免疫检查点，将“冷肿瘤”（免疫抑制）转化为“热肿瘤”（免疫激活）； ￮直接杀伤载荷：表达溶瘤肽、肿瘤凋亡诱导因子，直接杀伤肿瘤细胞，释放肿瘤相关抗原，进一步增强抗肿瘤免疫； ￮抗原呈递载荷：表达肿瘤特异性抗原，作为原位肿瘤疫苗，触发宿主的特异性抗肿瘤免疫，形成长期的免疫记忆，避免肿瘤复发。 4.基因编辑与宿主菌株改造模块（成药性优化） 选择减毒的沙门氏菌、大肠杆菌、双歧杆菌作为宿主菌株，通过CRISPR-Cas基因编辑技术进行改造： ￮敲除菌株的毒力基因，构建营养缺陷型菌株，降低致病性，提升临床应用的安全性； ￮敲除菌株的免疫抑制相关基因，增强菌株的免疫激活能力，同时提升其在肿瘤中的定植效率与定植时长。 5.药物开发与临床转化模块（落地关键） 解决工程菌作为活体生物药的成药性问题，串联了药物研发、药代动力学、毒理学、临床医学的知识： 完成工程菌的剂型开发（口服、瘤内注射、静脉注射剂型）、临床前的有效性与安全性评价、临床试验方案设计，目前全球已有多个工程菌肿瘤治疗项目进入I/II期临床试验，在晚期黑色素瘤、肝癌、结直肠癌等实体瘤患者中显示出良好的安全性与抗肿瘤效果。 落地成果与知识网络复用 目前美国Synlogic公司、英国Quell Therapeutics、国内合生基因、博雅辑因等企业的工程菌肿瘤治疗项目已进入临床阶段，其中Synlogic的SYNB1891项目在晚期实体瘤的I期临床中，实现了30%的疾病控制率，且无严重治疗相关不良反应。 本案例构建的“靶向定植-可控基因回路-治疗载荷设计-安全调控”的知识网络，已成为活体生物药（LBP）的通用开发范式，快速拓展至炎症性肠病、代谢疾病、自身免疫病、感染性疾病等多个治疗领域，催生了新一代活体生物药赛道。 总结：问题驱动的合成生物学知识网络构建方法论 以上4个标杆案例，完美诠释了合成生物学“以真实问题为锚点，反向串联多模块知识”的核心逻辑，其通用方法论可总结为3个核心步骤： 1.问题拆解：将真实场景的大问题，拆解为对应知识模块的子问题 任何复杂的合成生物学应用，都可拆解为“靶点/途径解析-元件设计-宿主改造-系统优化-场景化落地”的子问题，每个子问题对应一个或多个基础知识模块，彻底打破知识点的孤立壁垒。 2.知识联动：以解决子问题为目标，实现多模块知识的协同应用 合成生物学的核心不是单一知识点的深度，而是多模块知识的协同：比如mRNA疫苗的核心，不是单独的密码子优化或LNP递送，而是将病毒学、中心法则、免疫调节、制剂工程的知识协同起来，形成闭环的解决方案。 3.网络复用：将解决问题形成的知识体系，沉淀为可复用的工程化平台 每个案例形成的全链条知识网络，都不是一次性的，而是可通过模块化替换，快速复用至同类场景的其他问题中，这也是合成生物学能快速赋能医疗、工业、环境、农业等多个领域的核心价值。 这种问题驱动的学习与应用方式，能让合成生物学的知识结构真正落地，让零散的知识点形成可调用、可复用、可创造价值的知识网络。 科学智能：在先进产业场景中构建“状态感知-实时认知-自主决策-精准执行-学习提升”的科学智能（Science_and_AI）；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。 先进产业+物理AI=科学智能 产业智能官：Science_and_AI 加入知识星球“产业智能研究院”：产业OT技术（自动化+机器人+工艺+精益）和新一代IT技术（云计算+物联网+区块链+大数据+人工智能）深度融合，在场景中构建“状态感知-实时认知-自主决策-精准执行-学习提升”的科学智能（Science_and_AI）；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。 科学智能（Science_and_AI）作为第四次工业革命的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎；重构设计、生产、供应链和服务等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态和新模式；引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。 产业智能化技术分支用来的今天，从业者必须了解如何将科学智能（Science_and_AI）全面渗入整个公司、产品、业务等商业场景中，利用科学智能（Science_and_AI）形成数字化、网络化和智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和焕然新生。 版权声明：产业智能官（ID：Science_and_AI）发表的文章，除非确实无法确认，我们都会注明作者和来源，涉权请联系协商解决，联系、投稿邮箱：wolongzy@qq.com

摘要 合成生物学领域的稳步发展，使科学家能够以基因工程细胞而非小分子或生物制剂为基础开发新型疗法。赋予合成基因回路的细胞，可响应特定疾病生物标志物，对治疗作用的定位、时机和剂量进行精准调控，为疾病治疗提供了强大的新型工具。本文阐述了合成生物学方法如何应用于编程细胞以赋予治疗功能，探讨了其相较于传统疗法在灵活性、特异性和可预测性方面的优势，以及开发过程中面临的挑战。我们重点介绍了工程细胞构建的重大进展——这类细胞携带的合成基因回路，能够对细胞内或细胞外生物标志物产生的信号进行生物传感和计算处理。根据细胞载体（人类细胞或微生物细胞）以及工程细胞在人体宿主内发挥治疗作用的部位，对相关研究进展进行分类和描述。利用合成生物学设计细胞疗法是医学领域快速发展的策略，有望为多种人类疾病开发有效的治疗方案。 在过去的一个世纪里，新疗法的开发主要依赖合成化学方法，设计和优化具有药用潜力的生物活性分子。这一过程通常包括先导化合物功能化和筛选的循环迭代，以逐步提升其疗效、安全性和药代动力学特征。尽管这种方法已成功发现并开发出许多改变生命的重要药物，但在众多人类疾病中，仍存在大量未被满足的临床需求，需要超越小分子和蛋白质工程疗法的创新策略。近年来，合成生物学的出现改变了生命科学家和生物工程师设计治疗剂的思路——以活细胞而非化合物为载体开发新型药物。与药物化学方法类似，合成生物学方法通过引入合成基因回路，对多种细胞类型进行功能改造，生成工程化活体疗法（ELTs）（图1）。 图1 赋予生物载体治疗功能 小分子和蛋白质类生物制剂（左）传统上作为开发新型治疗剂的载体。这类分子的内在生物活性通常通过药物化学、蛋白质工程和/或药物递送方法进行增强，以实现治疗效果和安全性。合成生物学的出现及其向细胞中编程新功能的能力，为开发新型疗法提供了机遇。与先导小分子和蛋白质类似，活细胞具有天然生物活性，可用于治疗应用。多种人类细胞类型和人类相关微生物（右）可作为活体载体，构建赋予其治疗功能的遗传程序。药代动力学/药效学（PK/PD）。 合成生物学是本世纪初兴起的一门令人振奋的学科，它结合分子生物学工具与正向工程原理，构建能够编程特定细胞行为的遗传系统。该学科以基因和蛋白质相互作用形成的遗传回路为基础——这些回路支撑着细胞的内在功能以及细胞对环境的响应。遗传回路可拆解为具有明确输入和输出的简单功能单元或模块；例如，翻译过程可视为一个双输入（mRNA和核糖体）、单输出（蛋白质）的功能模块。得益于这种模块化特性，系统的整体行为可表示为一系列相互关联的操作组合（专栏1）。借助这一框架，合成生物学家可利用已表征的遗传元件，独立设计、测试和表征新型功能模块。重要的是，组成这些模块的元件之间的相互作用可通过成熟的数学模型进行描述，从而实现基于模型的设计方法，将功能模块整合为更复杂的合成基因回路。尽管目前已构建的许多合成基因回路仍处于概念验证阶段，但该领域已朝着应用导向设计迈进，有望在新型疗法开发中取得重大突破。 专栏1 遗传逻辑门 为实现预期的细胞响应，可设计布尔逻辑门处理多个输入，并根据数字逻辑规则生成输出。可通过可控输入、运算和输出模块的组合构建生物逻辑门回路，在DNA、RNA和蛋白质水平产生预期结果。作为说明性示例（见图），我们展示了如何将使用小分子调节剂的输入模块与基于转录激活因子或抑制因子的运算模块组合，创建开启（1）或关闭（0）输出模块表达的逻辑门。最简单的运算是“是”门（YES gate），其输出与输入相同。当输入信号的存在抑制控制输出基因的转录抑制因子的表达和/或活性时，可实现这一运算。相反的运算（将信号反转，即“非”门（NOT gate））可在输入的存在激活控制输出的转录抑制因子的表达和/或活性时获得。“是”门和“非”门是单输入布尔运算，已广泛用于控制基因表达，并可分层产生具有多个输入的更复杂逻辑门回路。“与”门（AND gate）需要所有输入存在才能开启输出信号，可通过组合“是”门构建。在我们的示例中，“与”门通过使用两个基于转录抑制因子的“是”门实现，其操纵子序列调节输出模块中单个启动子（P）的活性。另一种用于基因表达稳健控制的有用运算是“或”门（OR gate），仅当所有输入不存在时才关闭输出信号。当置于输出模块上游时，两组独立的转录激活因子及其同源启动子可作为“或”门。此外，可基于上述逻辑组合创建更复杂的逻辑门，例如，将“与”门与“非”门连接可构建“与非”门（NAND gate），将“或”门与“非”门分层可构建“或非”门（NOR gate）。 遗传回路的结构通常可分为三个基本模块。首先是输入模块，负责检测生物或非生物信号，并将其转化为可解读的分子信号。例如，膜相关传感器蛋白与下游响应调节因子的偶联，可将配体结合事件转化为可控的磷酸化信号级联反应。其次是运算模块，对输入模块传递的信号进行计算，并确定相应的细胞行为。最常见的是利用布尔逻辑门处理单个或多个输入，以产生预期的基因表达结果（专栏1）。最后是输出模块，将计算后的信号转化为预期的细胞响应。在治疗应用中，输出模块通常是编码生物效应分子（如酶、细胞因子或细胞受体）的基因。这些模块的组合与整合，能够构建复杂的合成系统，对细胞整体行为进行重编程，以满足预期应用需求（图2）。 要开发动态的活体疗法，工程细胞必须能够感知并响应环境信号——这些信号包含细胞定位、相关疾病状态以及启动适当治疗响应时机的信息。为此，合成基因回路需包含传感元件、信号处理/转导元件和控制元件，以调控预期的动态响应。环境和疾病生物标志物为传感模块提供初始输入，以区分疾病状态和正常状态（图2）。传感模块可能相对简单，例如直接激活转录因子以驱动输出模块中的转录响应。然而，要产生精准响应，先进的传感模块需将复杂的信号转导通路与多个控制元件相结合，对输出信号进行微调。将这些模块分层构建为逻辑门，是调控响应时机、增强信号强度和提高输出模块灵敏度的有效方式（图2）。 图2 利用工程化遗传回路开发活体疗法 导入活细胞的遗传回路组件被组织为具有明确输入和输出的功能模块。这些传感模块的初始输入可能包括环境或疾病生物标志物。识别这些标志物后，输出模块可启动一系列程序化响应，驱动工程细胞的治疗行为。例如，血糖升高可作为输入信号，通过葡萄糖转运蛋白及其信号级联反应被感知，进而驱动胰岛素表达。胰岛素释放后血糖水平下降，通过反馈控制负向调控回路活性。这些传感和处理模块的结构可包含多种逻辑门（专栏1），以明确治疗响应的灵敏度、灵活性、强度和时机。P：启动子。 合成基因回路的应用是细胞疗法的重要特征，这类策略可解决传统疗法的一些显著局限性，即缺乏灵活性、特异性和可预测性（专栏2）。在过去十年中，越来越复杂的遗传设计层出不穷，用于重编程细胞以实现治疗应用。这些研究主要集中在哺乳动物细胞和细菌上——两者遵循相似的基本原理，但工程化策略所依赖的分子工具包有所不同。本文重点介绍采用合成生物学方法编程细胞行为的工程细胞疗法相关研究，聚焦于对细胞内或细胞外生物标志物产生的信号进行生物传感和计算处理，并最终执行明确治疗程序的研究工作。文中案例根据细胞载体的生理特性进行分类——这些载体适用于构建治疗平台，即具有遗传可操作性的人类细胞和人类相关细菌。 专栏2 通过合成生物学解决传统疗法的局限性 灵活性 传统疗法的一个根本局限性在于其僵化的作用机制。小分子和生物制剂通常靶向疾病相关细胞或蛋白质，以调节其活性或可用性，而合成基因回路可使工程化细胞响应各种化学、生物或环境信号，执行多种效应机制。生物学的模块化特性允许重新连接合成系统中的输入-输出关系，提供标准药物无法实现的动态治疗选择。模块化是许多合成生物学设计的基础；体现灵活疗法实用性的合成生物学平台包括将内源性信号通路与用户定义疗法耦合的合成启动子，以及具有可互换抗原结合域的通用嵌合抗原受体（CAR）设计。 特异性 疗法区分健康状态和疾病状态的能力，对于引发安全有效的响应至关重要。传统疗法在很大程度上依赖单一疾病相关特征来驱动效应器响应。然而，许多疾病状态无法仅通过一个元件来定义或识别。合成生物学系统通过整合多个状态相关信号来递送治疗输出，从而实现增强的特异性。利用输入组合来提高治疗特异性的设计包括基于疾病相关细胞内微小RNA、转录因子或细胞表面抗原的双输入“与”门，以及基于疾病组织特性的治疗剂局部产生。 可预测性和可控性 治疗复杂疾病的不可预测结果是一项重大的生物医学挑战。特别是对于治疗指数有限的疗法，当面临患者间和患者内异质性时，很难在个体间和长期内实现疗效和毒性的最佳平衡。合成生物学系统的“感知-响应”能力，使工程化活体疗法（ELTs）能够原位适应扰动并提供定制化响应。适应性基因回路已应用于治疗应用。值得注意的例子包括调节激素和代谢物水平的反馈控制合成基因网络、炎症驱动的免疫调节细胞因子产生、小分子控制的CAR活性，以及基于积累溶菌因子群体感应的自我调节群体控制。 首先，我们将阐述如何运用不同的合成生物学方法，对组织驻留型、可植入型或具有全身循环能力的人类细胞类型进行功能改造。对于循环细胞类型，我们重点关注工程化T细胞——这类细胞携带的合成基因回路，能够为其治疗程序赋予可控性、灵活性和特异性。随后，我们将介绍基于微生物细胞的活体生物疗法构建进展，以及为肠道和肿瘤相关细菌设计的“感知-响应”系统案例。除了呈现合成生物学的研究进展，我们还将探讨工程化细胞疗法在生产和临床开发方面的考量。最后，我们分析了能够提供自主、正交和持久治疗程序的工程细胞的未来发展前景。 人类治疗细胞的编程改造 以人类细胞作为工程基因回路的载体，是生物工程领域的重大进步——通过基因载体，可在原位或体外对细胞进行复杂的治疗性干预。向患者细胞中导入合成构建体可采用病毒或非病毒方法；或者，在体外向人类组织引入基因回路，可在隔离环境中进行精准操作。人类细胞不仅是异物性最低的细胞载体，还能为外源治疗程序提供天然的细胞内环境，促进其与生理相关分子过程（如翻译后修饰）以及与疾病治疗直接相关的生化通路（如致癌信号通路）的整合。以下讨论的合成生物回路已被开发用于治疗癌症和代谢性疾病，并根据细胞载体的定位分为组织驻留型、可植入型和循环型治疗细胞。 组织驻留型工程细胞 对细胞进行重编程以实现治疗用途的早期尝试，源于插入回路以控制目标细胞对预设输入信号的生物活性（图3）。在这些案例中，细胞被编程为检测、整合并响应细胞内微环境中的生物信号。这一概念现已应用于细胞状态的识别和区分，例如恶性与非恶性行为。通常，这需要将合成基因回路的生物分子组进行索引和整合，形成“分类器”，并基于整合结果在宿主细胞中引发适当响应。例如，可实现“若为恶性则触发凋亡通路”的逻辑。区分非恶性细胞与宫颈癌细胞（HeLa细胞）的研究，是细胞分类器概念的早期概念验证。研究人员选择了一组在HeLa细胞中高表达（HeLa高表达）或缺失（HeLa低表达）的微小RNA（miRNAs），并通过在关键回路组件的转录本中编码相应的miRNA结合位点，构建了双反转回路。HeLa低表达的miRNAs直接降解输出基因（凋亡因子BAX）的转录本，而HeLa高表达的miRNAs降解BAX的抑制因子BCL-2，从而允许输出基因表达。由此产生的“分类器”回路根据检测到的细胞状态产生两种截然不同的结果：在存在HeLa高表达标志物的情况下，输出基因（此处为BAX）表达；在不存在这些标志物的情况下，输出基因受到抑制（图3a）。在功能上，当将整个回路导入相应细胞时，这种遗传结构设计使HeLa细胞相较于非恶性HEK293细胞更易发生凋亡。 图3 | 用于体内疾病治疗的细菌疗法。a | 兼性厌氧细菌已被工程化改造，可通过感知缺氧或葡萄糖浓度降低等多种肿瘤特异性信号，定植于肿瘤环境中（其中可能包含肿瘤特异性微生物组群落，以蓝色和绿色矩形表示）。这会触发宿主免疫防御的激活，进而促进肿瘤细胞的破坏（步骤1）。还采用了额外的回路，当细菌密度达到特定水平时特异性触发自溶（步骤2）。这使得组成型表达的效应分子能够在肿瘤微环境中递送。b | 作为治疗由苯丙氨酸代谢酶缺陷引起的苯丙酮尿症的一种潜在方案，大肠杆菌已通过代谢工程改造以增加L-苯丙氨酸（L-Phe）的同化作用，形成反式肉桂酸，在小鼠模型中降低血液L-苯丙氨酸水平。周质相关酶L-氨基酸脱氨酶的表达也可通过将L-苯丙氨酸转化为苯丙酮酸来降低血液L-苯丙氨酸水平。这为一项临床试验奠定了基础，该试验研究了使用工程化细菌治疗苯丙氨酸代谢酶缺陷患者的苯丙酮尿症。c | 在共培养实验中，大肠杆菌Nissle被证实可降低致病性铜绿假单胞菌的存活率，并在小鼠肠道中抑制致病性铜绿假单胞菌的定植。在目标来源的群体感应分子存在时，这种“感知-杀伤”菌株会表达多个受PluxR启动子调控的效应基因。具体而言，DspB可破坏目标生物膜；抗菌剂紫菌素S5在E7裂解蛋白裂解宿主细胞后产生并释放到环境中。为实现生物遏制，由于丙氨酸消旋酶基因alr和dadX的缺失，该工程化菌株的生长需要外源D-丙氨酸。d | 大肠杆菌已被工程化改造，可递送编码RNA引导核酸酶的质粒，以切割肠出血性大肠杆菌中的抗生素抗性基因。在这项特定研究中，使用了II型CRISPR-Cas系统来切割目标DNA序列。AHL=酰基高丝氨酸内酯。 另一种感知细胞内过程的实验策略是调控RNA剪接——只有发生剪接，输出基因才能被翻译。在此策略中，将特定输入蛋白配体结合后可增强剪接的RNA适体，以及编码终止密码子的外显子，插入输出蛋白的外显子之间。当目标蛋白与适体结合时，会产生可翻译输出蛋白的可变剪接转录本。初步概念验证已在肿瘤坏死因子（TNF）-核因子-κB（NF-κB）和β-连环蛋白通路等输入信号中得到证实。在这些研究中，当适体与其同源因子（如NF-κB或β-连环蛋白）结合时，剪接转录本会产生单纯疱疹病毒胸苷激酶，该酶使细胞对前药更昔洛韦敏感。这些回路通过检测输入信号，使细胞产生非天然药物敏感性，可用于诱导表达疾病特异性细胞内蛋白的靶细胞死亡。 上述早期合成基因回路的主要测试领域是癌症研究。真核细胞的恶性转化可通过遗传和表观遗传变化表征——这些变化导致异常转录状态，进而引发不受控制的细胞增殖。此外，癌细胞必须通过破坏和逃避多种免疫通路，逃避免疫监视。这些艰巨的治疗挑战对传统治疗方式构成了巨大障碍，而合成生物学则是一种理想的补充方法。可设计能够区分正常细胞和转化细胞状态的基因回路，并产生治疗分子，通过激活组合抗肿瘤免疫通路特异性杀伤癌细胞。尼斯姆等人描述了一种此类癌症免疫治疗平台，该平台将“分类器”模块与产生治疗性免疫调节蛋白的“效应器”模块相结合。有效区分肿瘤样细胞和正常细胞对于降低脱靶毒性至关重要（专栏2），因此多输入布尔逻辑门是提高回路特异性的理想工程策略。例如，可设计一个“与”门（AND gate）：输入启动子1（P1）调控编码输出蛋白（或多个蛋白）的自抑制mRNA，而输入启动子2（P2）调控解除自抑制的RNA分子，从而允许输出基因表达。P1和P2由不同的肿瘤相关转录因子激活，当两者共同表达时，足以明确恶性细胞状态。在尼斯姆等人开发的系统中，P1和P2分别由致癌转录因子MYC和E2F1驱动，输出模块包含T细胞衔接子、趋化因子（CC趋化因子配体21（CCL21））、细胞因子（IL-12）和抗程序性死亡蛋白1（PD1）单链可变片段（scFv），有望激活多种抗肿瘤免疫机制。关键在于，细胞中P1和P2必须同时激活才能引发输出反应。因此，通过组合两个在正常细胞中不太可能同时激活的肿瘤相关合成启动子，最大限度地降低了脱靶活性。以高通量方式发现状态特异性合成启动子，将有助于转录调控逻辑门在细胞和基因治疗中的广泛应用。 尼斯姆等人开发的回路结构结合了多种合成生物学方法，在小鼠肿瘤模型中显示出令人鼓舞的疗效。然而，其中一些系统需要向原位细胞递送大型治疗基因回路，这在临床应用中构成了根本性限制。病毒和非病毒基因递送技术的改进，未来可能有助于解决体内回路导入的挑战，相关内容已有详细综述。尽管如此，设计具有实施可行性的合成生物系统仍至关重要。钟等人利用ERBB受体的致癌信号作为癌症特异性特征，设计了与ERBB蛋白上磷酸酪氨酸位点结合的模块。其中一个磷酸化ERBB结合模块与蛋白酶融合，另一个与可切割底物融合。过度活跃的ERBB信号促进两个模块共定位，释放效应蛋白BH3相互作用域死亡激动剂（BID）以诱导凋亡。值得注意的是，其设计的紧凑性使得整个系统可通过腺相关病毒载体递送。与正常细胞（该通路仅短暂激活）相比，该系统更倾向于触发具有组成型激活ERBB信号的癌细胞中促凋亡蛋白BID的表达。基于蛋白酶的回路也已应用于其他系统。 可植入型工程细胞 与原位工程化组织驻留细胞不同，可植入型细胞可在体外进行工程改造——在体外环境中，更多适用的基因递送方法可用于导入复杂回路（图3）。上述部分案例中的工程回路仅能在有限的预设细胞状态之一中发挥作用，无法动态适应不断变化的环境条件。尽管这种设计使系统相对简单，但在不可预测的临床环境中应用时存在实际限制——这是传统疗法共有的局限性（专栏2）。因此，能够响应循环生物分子、药物或代谢产物等外部输入来调控回路活性的设计具有重要吸引力。有人提出了人工基因网络装置的解决方案，适用于疾病状态下目标分子存在于循环系统中的场景。 正常的生理功能通常要求关键代谢或内分泌因子维持在特定的稳态范围内。控制这些关键因子水平的天然正负反馈回路遭到破坏，可能导致疾病（例如，糖尿病是由于胰岛素水平不足以调节血糖所致）。治疗这类疾病需要持续控制目标生理产物的生物利用度。因此，对于给药后独立于生理环境发挥作用的药物而言，实现可预测的治疗效果具有挑战性。如下文所述，多项整合生理反馈回路的合成基因回路，已成功在临床前疾病模型中重建正常稳态。 调节尿酸水平是人工基因网络装置的首批应用之一——这类装置能够感知并响应循环代谢产物。尿酸是嘌呤代谢的终产物，在痛风等高尿酸血症相关疾病中，尿酸过度产生和/或无法有效排泄，导致其积累至致病水平。尿酸还可保护细胞成分免受自由基引起的氧化损伤。因此，与仅降低尿酸水平的传统药物干预相比，合成反馈模块可能提供更动态、更优的调控效果。在该策略中，传感盒包含细菌转录抑制因子HucR，在没有尿酸的情况下，HucR与DNA操纵序列基序hucO结合；当存在尿酸时，HucR与DNA解离，允许下游基因表达。该尿酸传感模块与编码尿酸氧化酶（降解尿酸的酶）的第二个构建体相连。将这两个模块以及人类尿酸转运蛋白转染到HeLa细胞中，随后将细胞微囊化在海藻酸盐-聚L-赖氨酸-海藻酸盐胶囊中，并腹腔注射到尿酸氧化酶缺陷小鼠体内。值得注意的是，这些小鼠体内原本高水平的循环尿酸在长达7天的时间内降至生理水平。 此外，通过合成反馈回路工程改造的可植入细胞，已应用于甲状腺激素和血糖调控，分别有望用于治疗甲亢和糖尿病。通过抗甲状腺药物或甲状腺切除术治疗甲亢，往往会导致甲减。为解决这一问题，萨克塞纳等人利用甲状腺激素结合核受体设计了合成反馈回路——配体结合后，该受体驱动甲状腺激素产生负调控因子的表达。同样，抗糖尿病药物可降低血糖浓度，但可能导致不同严重程度的低血糖。谢等人利用钙响应性活化T细胞核因子（NFAT）驱动的启动子和异位表达的钙通道，在HEK293细胞中设计了血糖传感回路，该回路与细胞系的内源性通路相连。血糖升高通过增加细胞内ATP触发钙内流，进而调控膜电位和电压门控钙通道激活。NFAT启动子驱动胰岛素表达，形成合成反馈回路。在这两个案例中，工程细胞被微囊化并植入小鼠体内，在实验诱导的病理状态下，成功将循环甲状腺激素或血糖恢复至生理水平。 具有反馈功能的合成基因回路还可用于严格调控具有严重毒性的治疗蛋白的表达。肝细胞生长因子（HGF）可刺激肝脏再生，可用于治疗肝损伤。然而，HGF也是一种致癌因子，这限制了其治疗窗口。白等人利用自调控反馈系统，将血清胆汁酸升高与HGF产生相结合，开发了肝损伤疗法。多种肝脏疾病会损害肝脏清除胆汁酸的能力，因此高血清胆汁酸可作为肝功能障碍的指标（图3b）。将胆汁酸的同源G蛋白偶联受体（GPCR）TGR5，以及由GPCR下游效应因子CREB1激活驱动HGF表达的模块，转染到HEK293细胞中。该回路以剂量依赖方式被胆汁酸激活。在体内植入后，该系统仅在实验诱导肝毒性时产生HGF，在胆汁酸稳态水平下不产生；这种工程细胞疗法还改善了诱导的肝损伤。 遵循类似的“感知-响应”策略，合成基因回路已应用于银屑病治疗——该回路将针对两种疾病相关细胞因子（TNF和IL-22）的“与”门传感模块相连。该顺序“与”门通过感知TNF信号的NF-κB驱动启动子表达IL-22受体（IL-22R），同时通过响应IL-22R信号的STAT3驱动启动子产生免疫调节细胞因子IL-4和IL-10。在该系统中，仅当TNF和IL-22同时存在时，才会产生IL-4和IL-10。将转染了合成基因回路的HEK293细胞微囊化在海藻酸盐中并植入小鼠体内，随后通过实验诱导皮肤炎症。在这些条件下，携带植入式合成基因回路的小鼠皮肤炎症减轻，促炎细胞因子水平降低。 这些可植入系统要从实验环境成功转化至临床应用，关键在于植入细胞在特定体腔或靶器官中的持续活性——宿主的异物免疫反应往往会影响其疗效。尽管对异物反应和纤维化的理解尚未完全明确，但目前已知巨噬细胞等先天免疫细胞参与其中，集落刺激因子1受体（CSF1R）是关键的信号介质；血管内皮生长因子（VEGF）也可能是该反应的促成因素之一。有趣的是，尺寸和形状在水凝胶、陶瓷、金属和塑料等多种生物材料中都至关重要——直径≥1.5毫米的球体可在啮齿动物和非人灵长类动物中避免异物反应。值得注意的是，封装在1.5毫米海藻酸盐胶囊中的大鼠胰岛细胞，诱导异物反应和纤维化的能力较弱，能够在糖尿病小鼠体内将循环血糖维持在正常水平长达6个月。通过海藻酸盐的组合化学修饰，已探索了进一步优化植入策略的方法，这可能产生更有效的基质，避免异物反应并改善植入产品的长期性能，以实现临床转化。 循环型工程细胞 在癌症治疗领域，基因重编程细胞疗法提供了一种额外的治疗途径——可在实验室中对细胞进行工程改造，再输注给患者。输注的细胞可迁移至肿瘤部位，以组成型方式、依赖环境信号的上下文依赖方式，或响应外源输入的方式递送工程化载荷。 工程化嵌合抗原受体（CAR）T细胞是该框架的成熟案例，在血液系统恶性肿瘤中已显示出显著的临床活性。尽管CAR-T细胞疗法的治疗益处不容忽视，但诸如毒性缺乏控制、难以适应不断变化的病理状态以及肿瘤特异性不足等问题，限制了其在患者中的应用。由于CAR-T技术已有大量综述，本文重点介绍合成生物学如何通过解决工程化T细胞中的这些挑战，推动下一代产品的开发（专栏2；表1）。 **可控性CAR-T细胞**：目前获批的CAR以组成型方式合成，持续结合靶标，与免疫介导毒性的严重程度无关。因此，能够调控CAR表达和滴定的方法是一项重要进展。在此类设计中，目标蛋白可仅在外源提供的药物配体存在时实现去稳定化（关闭开关）或稳定化（开启开关）。将该策略应用于CAR-T细胞时，在过度激活期间，可通过给药（关闭开关）或停药（开启开关）主动降解CAR，以减弱响应（图4a）。或者，可通过拆分抗原识别结构域和细胞内信号结构域设计开启开关型CAR，添加小分子后可诱导两者二聚化。在基于稳定性和异二聚化的设计中，细胞可长期循环，且可按需开启和关闭，这相较于自杀基因等永久性关闭系统具有明显优势。除了通过小分子控制CAR活性外，还开发了通过热、超声、光和氧气浓度调控CAR表达的替代方法。 图4 携带工程化遗传回路的人类循环CAR-T细胞疗法 循环型工程化嵌合抗原受体（CAR）-T细胞可设计为具有细胞疗法的可控性、灵活性和特异性。a | 可控性CAR-T细胞：外源可溶性配体可通过刺激CAR表达或CAR二聚化，实现CAR-T细胞活性的开启和关闭。通过这种方式，CAR活性通过两种输入得到更好的控制：抗原和小分子配体。与配体诱导降解（LID）结构域序列融合的CAR，是提高可控性的一个案例。b | 灵活性CAR-T细胞：为拓宽CAR-T细胞识别多种肿瘤相关抗原（TAAs）的灵活性，可设计嵌合受体靶向与肿瘤靶向单克隆抗体偶联的适配体分子。c | 选择性CAR-T细胞：为提高CAR-T细胞的特异性并最大限度降低其对健康组织的脱靶效应，可工程化具有多种输入的不同逻辑门，以驱动CAR-T细胞活性。这一方法包括“与”门（同时或顺序）、“非”门和组合模块。在图示案例中，具有多抗原识别“非”门的双CAR-T细胞，表达针对TAA（橙色）的CAR1和针对正常组织抗原（粉色）的CAR2。CAR-T细胞选择性杀伤表达TAA的肿瘤靶细胞，而共表达正常组织抗原的健康脱靶细胞则抑制CAR-T细胞的激活和细胞毒性。 **灵活性CAR-T细胞**：当前的自体细胞疗法生产成本高昂，而在疾病抗原谱不断变化的情况下，无需替换整个细胞载体即可改变其作用机制的设计具有显著优势。为拓宽CAR-T细胞抗原特异性的灵活性，可通过共表达多个CAR，或在单个CAR中连接多个scFv以实现“或”门识别，使细胞能够靶向多个靶标。也可通过肿瘤相关抗原（TAA）特异性单克隆抗体（mAb）引导嵌合受体。这通过模块化设计实现——CAR靶向与肿瘤靶向mAb偶联的适配体分子（图4b）。这些方法具有模块化和通用性，因为通过简单切换引导模块（TAA特异性mAb或TAA特异性scFv），单个通用CAR可用于多种肿瘤靶标。 **选择性CAR-T细胞**：由于大多数TAA并非肿瘤特有，在健康组织中也可能存在，因此脱靶/靶向毒性成为当前工程化T细胞疗法的根本性限制。通过“与”门或“非”门方式靶向多个共表达抗原，可提高特异性（图4c）。有关组合抗原识别的详细讨论，读者可参考其他相关综述。谨慎选择合适的抗原组合，对于两种逻辑门控CAR-T细胞策略都至关重要，而对健康组织和恶性组织中候选抗原表达模式的系统分析，将在靶抗原最优组合的选择中发挥核心作用。除上述肿瘤学应用外，通过逻辑门控合成基因回路工程改造的细胞疗法，还可应用于自身免疫性疾病的治疗——在这类疾病中，单一炎症因子不足以明确病变部位。 **整合可控性、灵活性和选择性的CAR-T细胞**：在上述案例中，合成生物学方法可能分别解决控制、灵活性或特异性方面的不同问题。因此，能够同时改善所有这些特性的CAR系统极具吸引力，且已有初步尝试开发能够动态调谐、切换组合抗原和控制细胞类型响应的系统。 治疗性细菌细胞的编程改造 人类出生后，体内会定植大量微生物，这些微生物将特定人体组织作为主要生态位。在人的一生中，人体与饮食和环境中的微生物持续相互作用，因此人类相关微生物可作为平台，与宿主生理功能相互作用以实现治疗目的。与可植入人类细胞的策略类似，可通过合成生物学方法对微生物细胞进行改造，并递送至人体以预防或治疗疾病。由于微生物具有遗传操作相对简便、代谢简单和稳健性强等特点，已成为合成生物学发展的核心。第一代合成基因回路（如 toggle开关和抑制振荡器）均在细菌中设计、构建和测试，为更复杂系统的开发奠定了基础。值得注意的是，微生物生命的巨大多样性，为合成基因回路的创建提供了源源不断的具有新型功能的遗传元件。这些特性使基于微生物的工程化疗法成为解决未被满足临床需求的热门领域。 用于开发治疗平台的细菌菌株选择通常取决于两个因素：菌株的安全性特征和遗传可操作性。由于乳酸菌（LAB）在人类营养中具有长期安全使用的历史，已被公认为向人体组织递送治疗载荷的无害载体。特别是乳酸乳球菌（常作为发酵乳制品的成分被食用），已被广泛开发为工业和临床应用的基因工程宿主。 同样，多种大肠杆菌菌株（从人类肠道共生菌发展为分子生物学的常用工具）已被广泛应用于活体疗法。值得注意的是，益生菌菌株大肠杆菌Nissle 1917（EcN）已安全使用近100年，作为多种获批药物产品的活性药物成分，其抗炎和抗菌活性已有相关描述。此外，保留天然组织趋向性的减毒病原体，可用于向恶性组织递送治疗或刺激分子。例如，缺乏肌动蛋白组装诱导蛋白或内化素B等毒力因子的单核细胞增生李斯特菌菌株，在肿瘤外生长能力降低，但能够通过在循环免疫细胞内生长引发抗肿瘤反应。同样，脂质转运缺陷或次级信使代谢产物产生缺陷的鼠伤寒沙门氏菌菌株，无法在血液中传播，但全身给药后能够靶向缺氧肿瘤环境。 治疗载荷的体内递送和代谢转化，一直是合成生物学方法将微生物确立为活体治疗剂的核心。近年来，对肠道和肿瘤环境中宿主细胞与微生物相互作用的理解不断深入，揭示了工程化微生物可干预的关键通路，以恢复细胞稳态。以下重点介绍在肠道和肿瘤环境中发挥作用的工程化细菌疗法的关键进展。 肠道相关工程细菌 共生菌和饮食来源细菌与胃肠道黏膜表面相互作用的能力，为开发在肠道内发挥作用的活体疗法提供了平台。口服携带基础生产和分泌模块的细菌，已被证明是向肠道环境递送效应分子的简单有效策略。然而，近年来，稳健的生物组件与回路设计原则的结合，已能够创建能够检测刺激并产生指定响应的细菌系统。合成基因回路复杂性的提升，使治疗性微生物能够在宿主身上实现更精准的定位和定时效应。以下介绍一些值得关注的案例——工程化细菌被用于递送多种免疫调节或抗感染效应分子。随后，我们将讨论更复杂的工程化细菌案例，这些细菌整合了更高水平的合成生物学原理，能够响应肠道生物标志物用于诊断应用，或具有时空感知能力用于治疗肠道代谢性疾病。 **作为效应分子递送载体的工程细菌**：基于细菌的工程化疗法的首批应用之一，是将其用作活体疫苗载体，向人类黏膜递送抗原以引发局部和全身免疫反应。例如，在细胞表面展示沙门氏菌抗原的重组双歧杆菌菌株，可保护小鼠免受鼠伤寒沙门氏菌的致死性攻击。同样，表达幽门螺杆菌Lpp20抗原或艰难梭菌细胞毒素TcdA和TcdB C端受体结合域衍生的无毒重组片段的乳酸乳球菌，能够产生有效的适应性免疫反应，防止病原体在小鼠肠道内定植。在另一个案例中，多种天然乳杆菌菌株表达破伤风毒素C片段，引发血清病原体特异性IgG并增强淋巴样反应。还利用工程化乳酸菌开发了针对HIV等病毒的活体疫苗载体。钱查等人在乳酸乳球菌表面表达了与B族链球菌菌毛蛋白融合的HIV Gag抗原，并表明口服免疫后，该菌株能有效引发小鼠黏膜体液和细胞反应，突显了其作为HIV疫苗平台的潜力。 除了通过黏膜递送抗原引发选择性免疫反应外，工程化细菌细胞还可被编程为表达其他可遗传编码因子，以阻碍病原体定植或解决肠道炎症。受天然微生物竞争的启发，例如，已对细菌菌株进行工程改造，使其表达靶向入侵致病菌的抗菌化合物。在此背景下，福库斯等人对EcN进行工程改造，使其表达并分泌抗菌肽微囊素J25，并表明施用工程化细菌可降低火鸡肠道中沙门氏菌的载量。 也可对细菌进行工程改造，以靶向病原体的毒力而非生存能力。一些细菌（如霍乱病原体霍乱弧菌）可通过基于单个细菌分泌的信号因子（如霍乱自诱导物1（CAI-1））水平的群体感应系统，检测自身群体密度。因此，当细菌群体生长导致这些因子浓度达到特定阈值时，会触发信号通路，抑制毒力因子产生。为防止霍乱弧菌在肠道内繁殖，对EcN进行工程改造，使其表达高水平的CAI-1，用该工程化菌株预处理后，摄入霍乱弧菌的小鼠存活率高达92%。 在炎症性肠病（IBD）的背景下，通过口服给药工程化细菌在肠腔中递送治疗蛋白的理念具有特别的吸引力——这种方法能够在炎症部位（肠道腔室）递送高局部浓度的治疗剂，同时最大限度地减少其全身暴露，从而降低潜在毒性。免疫调节细胞因子的失调被认为在IBD的病理生理学中起着关键作用，因此恢复细胞因子网络的稳态是研究热点。在实验性IBD模型中，向肠道递送工程化细菌以控制炎症的初步尝试，基于鼠源抗炎细胞因子的表达或针对促炎细胞因子的纳米抗体。通过进一步改造EcN，创建了诱导型卷曲纳米纤维展示三叶因子（TFFs），最终在结肠炎症期间促进肠道上皮完整性和恢复上皮屏障功能。通过质粒对EcN进行工程改造，该质粒编码产生嵌合CsgA蛋白的合成卷曲操纵子——CsgA蛋白是大肠杆菌生物膜基质的主要成分。将CsgA蛋白与促进上皮修复的小细胞因子TFF3治疗结构域进行基因融合。合成卷曲操纵子置于阿拉伯糖诱导型启动子（PRAD）的控制之下，可通过向小鼠饮用水中添加阿拉伯糖进行外部激活。 尽管这些研究大多未在“感知-响应”的合成生物学框架内进行，但它们展示了如何将简单的表达模块整合到多种细菌宿主中，以实现治疗剂的有效递送。此外，这些研究表明，简单的合成基因回路在动物研究中具有功能，其中一些已进入进一步的临床开发，并在I期人体临床试验中被证明是安全的。 **肠道生物标志物的细菌活体生物传感器**：理想的生物传感器应能在复杂环境中工作，具有高分辨率检测能力、高信噪比输出范围、信息存储能力，并能有效放大输出信号。这些要求可通过合成生物学原理实现。生物传感器的通用结构包括多个模块：用于在预定阈值下检测多种病理生物分子（输入）的检测模块；整合由用户定义的临床相关生物标志物和/或规则驱动的一组逻辑门的布尔模块；以及产生用户可直接解读的即时信号的放大和/或输出模块。或者，可使用记忆模块将信息稳定存储在生物传感器细胞的DNA中，以便后续检索。原则上，这些概念可应用于任何生物腔室，作为概念验证，库尔贝等人将放大遗传开关和逻辑门整合到海藻酸盐聚合物封装的大肠杆菌中，用于检测和记录糖尿病患者血液和尿液中的病理性葡萄糖水平。尽管体外检测体液中的病理生物标志物具有吸引力，但合成生物传感器的最终目标是持续体内监测，以实现实时诊断。肠道共生菌的工程改造，为肠道炎症的探索提供了一个有吸引力的机会。在大肠杆菌中实现了“触发-记忆”概念，其遗传设计包括控制噬菌体λ阻遏蛋白Cro表达的脱水四环素（aTC）诱导型启动子（Ptet），以及基于λcI/Cro区域的记忆元件。在体内，给小鼠施用工程化细菌和aTC后，该系统能够感知aTC，并在其撤离后“记住”这一信号。用户可通过检测与Cro融合的β-半乳糖苷酶报告基因，interrogate处于Cro开启状态的细菌比例，从而读取该记忆。这种小分子传感器的“触发-记忆”设计的概念验证，可适配用于感知疾病状态（如肠道炎症）中上调的生物标志物。 大肠杆菌已被用于生成四硫酸盐（炎症期间产生的代谢物）的生物传感器（图5）。检测-触发模块通过鼠伤寒沙门氏菌的ttrR/S基因检测四硫酸盐，以通过PtrrBCA启动子驱动Cro蛋白表达。四硫酸盐诱导的Cro产生，导致基于β-半乳糖苷酶的记忆模块激活，一旦触发，即使在没有四硫酸盐的情况下仍保持活性，从而可通过无创粪便检测进行后续信号检索。里格拉等人在多种小鼠肠道炎症模型中验证了这一概念验证。该系统被整合到大肠杆菌的染色体中以提高稳定性，并在体内持续工作长达6个月。基于类似的概念，已在EcN中生成了硫代硫酸盐（另一种肠道炎症相关生物分子）的生物传感器，并证明能够有效感知、记忆和报告小鼠的肠道炎症。 图5 携带工程化遗传回路的细菌细胞疗法 a | 目前在肠道内发挥作用的活体细菌设计可分为三大类：诊断生物传感器，经编程检测疾病状态下出现在肠腔中的肠道炎症相关生物标志物，并有效放大输出信号；经工程化生产免疫调节分子（如三叶因子或抗炎化合物）或消耗肠腔内ATP等促炎分子的细菌；这些响应可由炎症生物标志物控制，并可恢复上皮屏障功能和减轻炎症。第三类是代谢性疾病背景下有毒分子的代谢转化（苯丙酮尿症中有毒苯丙氨酸转化为反式肉桂酸（TCA），或高氨血症中氨转化为精氨酸），可由胃肠道中发现的微环境特征（如低氧分压）控制。b | 目前在肿瘤内发挥作用、支持抗肿瘤免疫反应和肿瘤消除的活体细菌设计。这些设计包括基因振荡器（如群体感应（QS）回路），以控制效应分子（如免疫调节蛋白、促凋亡肽、免疫检查点抑制剂抗体）的局部递送。其他设计在肿瘤驻留抗原呈递细胞（APCs）吞噬工程化细菌后，响应缺氧肿瘤微环境（TME）触发免疫刺激分子的合成。 合成生物学方法已应用于益生菌，作为胃肠道感染的体内诊断工具。毛等人将乳酸菌乳酸乳球菌工程化为活体诊断剂，为霍乱感染提供即时读数。他们利用摄入的乳酸乳球菌与霍乱弧菌的瞬时共定位，在感染早期检测病原体。为此，他们构建了一种混合细胞表面受体，该受体利用霍乱弧菌群体感应系统的组件，检测病原体的同源小分子自诱导物。传感模块激活后，工程化益生菌通过合成磷酸化级联反应计算信号，进而表达和分泌酶促报告基因——该报告基因可通过比色法在粪便样本中轻松检测到。霍乱传感乳酸乳球菌菌株在感染动物模型中的功能验证，为工程化微生物用于胃肠道感染的诊断和监测提供了基础证据。 最近，大肠杆菌工程化生物传感器的一项应用，是将活细菌用作微型可摄入电子设备的组件——该设备在肠道内移动，并与用户进行无线通信。这种可摄入微生物电子设备（IMBED）包含多个腔室，工程化EcN可接触肠道内容物，并产生可电子转换和传输给研究者的输出信号。作为概念验证，米梅等人设计了基于血红素响应转录阻遏物HrtR调控的合成启动子的胃肠道出血传感模块，以及基于luxCDABE盒（产生生物发光）的输出模块。光输出由光电晶体管检测，通过光度计芯片转换为数字代码，并无线传输至体外。IMBED成功在小鼠和猪体内检测并报告了肠道出血。 **代谢性疾病的工程化细菌疗法**：将基于合成生物学的产品转化为人类治疗工具的重要一步，是开发具有类药物特性的细胞系统。这些特性包括可预测的药代动力学、剂量-反应关系、安全性、可生产性和可扩展性。最近，有两项研究在苯丙酮尿症（PKU）和高氨血症两种代谢性疾病的背景下，介绍了口服细菌细胞疗法的这些概念，突显了合成生物学在开发特异性、灵活性和可控性治疗实体中的作用（专栏2）。PKU是一种先天性代谢缺陷病，其特征是苯丙氨酸羟化酶（PAH）缺乏，导致食物来源的氨基酸苯丙氨酸（Phe）无法代谢，在血液中积累至导致神经损伤的水平。伊莎贝拉等人报道了EcN菌株的构建，该菌株通过三个基因回路模块进行工程改造：基于编码Phe转运蛋白pheP的基因模块，由缺氧诱导型启动子Pfursi控制；基于编码苯丙氨酸解氨酶（PAL）stlA的基因模块，同样由Pfursi控制；以及基于编码L-氨基酸脱氨酶（LAAD）pma的基因模块，由阿拉伯糖诱导型启动子ParaC控制。在该工程化EcN菌株（SYNB1618）中，LAAD在发酵和生物量生产期间通过向培养基中添加阿拉伯糖诱导表达，而当细菌遇到哺乳动物胃肠道的缺氧环境时，在体内产生PheP和PAL。在功能上，SYNB1618由Phe和缺氧的组合输入控制，导致Phe转化为反式肉桂酸（TCA）（图5a）。重要的是，TCA在肝脏中转化为马尿酸（HA）并从尿液中排出，作为菌株活性的生物标志物。这种所谓的“合成生物制剂”被证明能在小鼠模型中通过胃肠道有效降低全身Phe水平。重要的是，在人类中，健康志愿者口服SYNB1618后，尿液中生物标志物HA呈剂量依赖性积累（NCT03516487）。 氨是代谢的普遍副产物，因此胃肠道是氨的主要来源。在健康人体内，肠道氨通过尿素循环在肝脏中代谢为尿素，然后从尿液中排出。在患有罕见代谢疾病尿素循环障碍（UCD）或肝损伤（如肝硬化）的个体中，氨在血液中积累，导致高氨血症和神经损伤。因此，从胃肠道捕获氨并防止其进入血液，是口服工程化细菌可能实现的重要应用。在此背景下，最近描述了一种合成生物制剂——对EcN进行重编程，将肠道氨有效引导至精氨酸生物合成途径，从而产生L-精氨酸。这种天然氨基酸常作为膳食补充剂使用，无报告毒性。该工程化策略旨在通过删除该途径的负反馈调节因子（argR），并创建一个带有该途径另一个负调节因子argA的精氨酸抗性突变体的回路（由缺氧诱导型启动子PfnrS控制），将氨有效引导至精氨酸途径。这种设计导致细菌遇到肠道缺氧环境时，持续将有毒氨转化为精氨酸。该菌株（SYNB1020）被证明能在肝损伤动物模型中以剂量依赖性方式降低全身氨水平，并已在健康志愿者中完成I期临床试验（NCT03179878）。 微生物中的大多数合成生物学应用都集中在大肠杆菌上——在过去半个世纪中，已积累了关于大肠杆菌的大量遗传和生化知识。然而，哺乳动物肠道微生物群以其他细菌类群为主，拟杆菌属是最普遍的类群之一。因此，拟杆菌属（尤其是共生菌种多形拟杆菌）作为合成生物学应用的额外载体，正受到越来越多的关注。回路元件（最重要的是可调谐启动子）以及核糖体结合序列文库和其他遗传组件的开发正在快速推进，以构建用于诊断和治疗目的的下一代工程化肠道微生物。 肿瘤相关工程细菌 自19世纪末威廉·科利的开创性研究以来，细菌已被认为是潜在的抗癌剂。科利首次观察到肿瘤区域急性链球菌感染后宫颈肉瘤的消退，这启发他毕生致力于利用细菌激活免疫系统治疗癌症。他的工作被认为是医学史上首个免疫治疗方案。这些早期观察捕捉到两个关键概念：细菌可在肿瘤中存活，且能触发抗肿瘤免疫反应。这些见解构成了利用合成生物学策略，以细菌为基础创建可控、安全和合理设计的抗肿瘤生物疗法的基础。以下介绍工程化细菌用于局部递送抗肿瘤化合物和免疫系统调节剂的显著案例。 多种分类群的细菌优先在肿瘤中积累和增殖，事实上，许多使用致病菌的动物和人类研究已证明其抗肿瘤活性。不幸的是，这些研究也揭示了不可接受的毒性，阻碍了这些制剂作为治疗工具的开发。进一步尝试减毒病原体，产生了安全但无效的疗法，突显了这些方法中毒性和疗效之间的明显权衡。目前，大多数细菌抗肿瘤策略基于非致病载体（如EcN），通过合成生物学工具进行合理工程化，以在肿瘤微环境（TME）中激活免疫系统，实现强大且持久的抗肿瘤活性。合成生物学方法与我们对肿瘤免疫学的快速深入理解相结合，为开发新型癌症细菌细胞疗法提供了有吸引力的机会（图5b）。 改善基于细菌的癌症疗法的一种方法是进一步增强其固有的肿瘤趋向性。一些细菌对肿瘤的天然亲和力，可通过工程化靶向结合预定癌症表达分子（如新生抗原或其他在癌细胞中富集的分子）的合成黏附素来增强。合成黏附素是模块化膜锚定蛋白，具有细胞外免疫球蛋白结构域，可通过文库筛选生成和优化。作为概念验证，皮涅罗-拉姆比亚等人在大肠杆菌中构建了带有靶向绿色荧光蛋白（GFP）的合成黏附素的组成型回路，并证明工程化细菌在体外和体内能有效结合表达GFP的HeLa细胞。关键的是，该工程化菌株的体内静脉递送，能够以比内源性菌株或携带无关黏附素的菌株低100倍的剂量有效定植肿瘤，这表明类似改造的细菌可用于以极低剂量向肿瘤递送治疗载荷，同时最大限度地降低潜在的全身毒性。细菌选择性归巢至肿瘤的能力也已用于诊断目的。达尼诺等人开发了一种生物发光EcN菌株，该菌株还产生酶促报告基因。口服细菌能够通过成像和测量尿液中的报告酶底物，检测小鼠肝脏肿瘤和转移灶。这些研究表明，细菌在肿瘤中至少保持一定程度的代谢活性，足以支持工程化基因回路的运行。 鉴于细菌优先定植于恶性部位，且能天然激活树突状细胞和巨噬细胞等先天免疫细胞，其使用可在TME中提供基线水平的免疫激活。抗PD1和抗PDL1抗体等免疫检查点抑制剂的使用，彻底改变了癌症治疗。然而，只有部分患者能从这种治疗方法中获益。尽管大多数患者缺乏应答的原因仅部分明确，但显然，基线水平的T细胞浸润是检查点抑制剂发挥作用的必要条件——事实上，这些所谓的“热肿瘤”一直表现出良好的预后。相比之下，缺乏T细胞的“冷肿瘤”预后较差，因此成为癌症免疫治疗中一个重要的未被满足的医疗需求。 因此，合成生物学可应用于工程化细菌，以可控方式表达能够激活T细胞免疫反应的代谢物、细胞因子、scFv或任何其他分子。这种工程化功能与细菌细胞中天然存在的免疫激活组件相结合，有望驱动持久的抗肿瘤活性，即使在冷肿瘤中也是如此。最近，通过在EcN中工程化干扰素基因刺激因子（STING）激动剂（SYNB1891），证明了这一概念（图5b）。环二核苷酸对STING的细胞内激活，导致I型干扰素产生，激活先天免疫细胞并促进细胞毒性T细胞启动。莱文索尔等人设计了一个回路，其中来自单核细胞增生李斯特菌的dacA（编码合成cAMP（STING激动剂）的酶）由缺氧诱导型启动子Pfurs控制。SYNB1891还被设计为包含两个营养缺陷型（thyA和dapA），分别导致其无法在TME外存活和无法在TME内复制。这种基因回路设计赋予系统显著的特异性（仅在缺氧TME中激活）和可控性（在TME外被清除，且无法在TME内增殖）（专栏2）。在T细胞浸润不良的小鼠肿瘤中，SYNB1891驱动了强大的肿瘤根除，并诱导了长期免疫记忆，使治愈的小鼠能够抵抗肿瘤复发。这些效应依赖于STING和CD8+ T细胞，进一步突显了细菌合成生物学在癌症治疗中的潜力。SYNB1891目前正在多种癌症的I期临床研究中进行评估（NCT04167137）。 除了使细菌系统能够在TME内递送和过表达目标载荷外，合成生物学方法还允许调节预期输出表达的相对强度和持续时间。控制表达时机和持续时间的一种方法是构建可调谐基因振荡器。基因振荡器是工程原理应用于细菌系统的最早例子之一，可通过引入竞争性激活和抑制因子来设计。斯特里克等人在大肠杆菌中构建了一个回路，其中三个基因（araC、lacI和yemGFP（报告基因））由混合启动子Plac/araI控制。这种合成调控元件由araBAD启动子的激活位点和lacZYA启动子的抑制操纵子位点组成。随后，将多个Plac/araI拷贝置于控制回路中三个基因各自转录起始位点的上游和下游。该系统在阿拉伯糖存在时被AraC蛋白激活，在异丙基硫代半乳糖苷（IPTG）不存在时被LacI蛋白抑制，其振荡可通过荧光（GFP）追踪。重要的是，振荡周期（持续时间）和振幅（幅度）可通过添加到培养基中的阿拉伯糖和IPTG的相对浓度精确控制。这种合成基因网络的结构可转化为治疗回路，实现载荷的周期性递送。 在抗癌细菌中构建基因振荡器的成功策略受到群体感应的启发——在群体感应中，关键扩散因子的积累触发群体中的同步响应。当对临界密度的预定义细胞响应是细胞裂解时，这种方法能够在TME内程序性释放工程化溶瘤因子以及免疫调节蛋白，这些蛋白共同作用，在体内导致癌细胞裂解和肿瘤生长抑制。丁等人设计的遗传回路包含一个共同启动子（PlasI），该启动子驱动自身激活剂（酰基高丝氨酸内酯）以及噬菌体衍生的裂解因子（φX174蛋白E）的表达。当回路开启时，产生φX174 E，扩散到邻近细胞，并在达到临界阈值时触发裂解。少数存活的细胞再次增殖并产生φX174 E，直到达到临界阈值并触发新一轮细菌裂解，完成一个新的周期。这种脉动式同步裂解系统与最多三种载荷（促凋亡肽、趋化因子和溶血素）的输出相连，导致每次群体感应裂解发生时，所有三种载荷在TME中同时释放。这种方法在同基因小鼠肿瘤模型中显示出令人鼓舞的疗效。 还有其他值得注意的例子，展示了将程序性细胞裂解与合成群体感应系统耦合，向肿瘤中释放治疗载荷的效用。乔杜里等人对非致病性大肠杆菌进行工程化，使其带有同步裂解回路，在TME内裂解并释放编码抗吞噬受体CD47（在多种人类癌症中通常过表达）的纳米抗体。古尔巴特里等人在益生菌EcN中构建了类似的裂解回路，整合到EcN-lux基因组的φ80位点，其中plux在单一启动子下驱动luxI和φX174 E基因的转录。回路激活导致靶向PDL1和细胞毒性T淋巴细胞抗原4（CTLA4）的纳米抗体的受控产生和肿瘤内释放，以及粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）的释放。在这两个例子中，用工程化细菌治疗均导致了强大的肿瘤消退和全身性抗肿瘤免疫。 工程化细胞疗法的前景 随着工程化细胞疗法领域的成熟和扩展，由于细胞尚未被广泛用作体内治疗生产的基本单元，其在生产（专栏3）和临床开发（专栏4）方面将面临前所未有的挑战。合成生物学已在解决当前难以治疗的疾病的治疗策略方面展示了概念上的改进。计算机引导的基因回路构建，可进一步加速治疗平台的设计-构建-测试循环。该领域正在进行令人振奋的发展，以下重点介绍一些将增强合成生物学在工程化活体疗法中变革性力量的额外领域。 专栏3 细胞疗法的创建：生产考量 工程化活体疗法（ELTs）的临床级生产采用与其他已进入临床应用的细胞产品（如临床级益生菌或自体淋巴细胞）类似的生产技术，并遵循相同的规则和法规。然而，一个额外的挑战是包含工程化异源生物回路——这些回路可能在放大培养过程中给细胞带来负担，导致回路和菌株不稳定性。重要的是，在生产过程本身中使用合成生物学方法可提供有效的解决方案，可引入合成基因回路以确保预期的过程控制以及工程化通路的保留。例如，可在生产过程中有效关闭特定细胞中的治疗回路，以确保生物量的可重复和严格控制的生产。对于兼性厌氧细菌，这可通过工程化缺氧控制启动子，并在微生物发酵过程中引入确定的氧气浓度来实现。然而，在某些情况下，可能需要在生产过程中激活合成基因回路，以确保工程化通路在治疗给药时有效。 尽管工程化活体疗法领域仍处于起步阶段，但来自更成熟的工业发酵领域的经验，为生产中的潜在问题提供了有益的见解和可能的解决方案。相关技术挑战包括生产过程中突变的积累，以及由此产生的低效菌株变体——这是由于生产负荷和代谢负担可能使批准批次的一致性生产面临挑战。 专栏4 细胞疗法的创建：临床开发考量 在美国，美国食品药品监督管理局（FDA）通过生物制品评价与研究中心（CBER）监管工程化细胞疗法临床开发的所有方面。由于社会对基因修饰生物普遍存在一定的犹豫，利用合成生物学工具解决关键的未被满足的医疗需求，有助于形成更平衡的患者获益观点。在这方面，监管关注的关键领域集中在化学、生产和控制问题上——在许多方面，这些问题与其他治疗类别（包括小分子、单克隆抗体和疫苗）的候选药物相似。有关生产指南的完整描述可在其他地方获得。 工程化活体疗法领域的一个重要目标是开发药代动力学和药效学工具，以指导候选药物选择和药物开发过程，利用其他治疗方式数十年临床开发的集体知识。工程化活体疗法为构建这些关系提供了新的场景——例如，口服给药制剂的药代动力学本质上可能是生物体在胃肠道中的转运时间。同样，静脉给药的人类细胞疗法（如CAR-T细胞）的药代动力学，可通过给药后不同时间点工程化活体疗法的血液计数来确定。然而，胃肠道内的局部浓度即使不是完全不可行，也难以测量，因此粪便样本常被用于生成特定剂量清除时间的数据。生物工程资源（如人工体外胃肠道系统）将提供重要的新技术，使药物开发者能够从一系列临床前数据外推人类给药方案，为临床试验设计提供剂量选择信息。CAR-T细胞植入也带来了类似的挑战——植入情况指示临床活性，但在表征工程化活体疗法的体内行为时代表了额外的复杂性。毫无疑问，监管机构和医生将期望得到保证，即特定效价的工程化活体疗法剂量将提供预期的治疗益处。迄今为止，工程化活体疗法作为人类疗法的开发经验有限，已获批和正在开发的CAR-T细胞疗法（人类细胞）以及SYNB1618和SYNB1891项目（细菌细胞），为支持候选药物选择和全面开发的工具和策略的开发提供了早期示例。 自主性 如前所述，负反馈控制基因回路能够自主纠正糖尿病和甲亢等复杂疾病中疾病驱动的生理扰动。闭环“感知-响应”治疗系统根据预设设定点自我调节其活性。给药后，这些系统不再需要额外的指令。可能受益于此类设计原则的应用包括减轻细胞疗法的毒性（如CAR-T细胞的细胞因子释放综合征）。 需要用户通过小分子进行外源控制的非自主平台并不理想，因为它们还需要临床上有用的生物标志物，以便实际实施和对患者进行持续监测。对于CAR-T细胞，能够通过感知局部炎症来减弱响应的合成基因回路，有可能作为自主安全开关。调节传感器的灵敏度和输出剂量，对于工程化无需额外用户干预的自调节工程化活体疗法至关重要。 正交性 合成生物学的主要目标之一是编程新的细胞功能，通常使用源自天然生物系统的构建块。这导致合成通路和内源性通路之间可能发生串扰，从而损害预期功能的保真度。在上述例子中，胆汁酸和血糖检测模块下游的CREB1和NFAT活性，分别是许多通路共有的末端转录介质。因此，这些回路的输出可能被其他非特异性信号诱导。将来自进化上不同生物的正交模块（如细菌双组分系统）引入人类细胞，是减轻与内源性过程串扰的一种方法。设计人工蛋白效应器和新型信号转导机制，也是扩展合成生物学工具包和避免与细胞宿主机制发生不良相互作用的有前景的研究领域。 持久性 许多工程化活体疗法的成功应用将依赖于导入细胞在体内的持久性。微生物群代表了一个生态位，在该生态位中，合成工程化共生载体可被诱导定植并无限期持续存在，且具有仅在感知到预定病理信号或信号组合时才响应和激活效应器回路的内在能力。如前所述，针对人类微生物群中主要成员（如拟杆菌属或梭菌属）的合成生物学工具的快速扩展，为此类持久性方法铺平了道路。工程化基因回路的稳健、长期功能也是持久性的重要考量因素。例如，合成构建体中的重复DNA元件可能导致遗传不稳定性和预期活性的丧失。设计非重复组件的努力，将有助于构建日益复杂的回路。 结论 工程化活体疗法领域正处于转折点。传统药物曾经难以解决的重大生物医学挑战，如今正通过生物工程的新前沿方法得到解决。人类和微生物细胞可通过基因修饰来纠正内在缺陷或释放其全部治疗潜力。在这方面，合成生物学原理（如分子逻辑门和反馈控制）为构建下一代工程化活体疗法做出了重大贡献。本文所述创新基因回路的转化工作目前正在进行中。与之前的治疗范式转变一样，在充分实现临床效益之前，下一代工程化活体疗法的研发仍需解决多个障碍。尽管如此，合成生物学与细胞和基因治疗的交叉领域，有望通过扩展我们为复杂疾病创建特异性、灵活性和可控性治疗方案的能力，推动医学进步。