細(xì)胞和基因療法有望治療各種疾病，但目前缺乏針對(duì)特定細(xì)胞的靶向藥物技術(shù)。工程細(xì)胞產(chǎn)生多功能顆粒，設(shè)計(jì)用于攜帶貨物和針對(duì)特定細(xì)胞類型。在實(shí)驗(yàn)中，這些顆粒成功地將基因編輯貨物運(yùn)送到T細(xì)胞中。
現(xiàn)在，西北大學(xué)的合成生物學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種靈活的新平臺(tái)，可以部分解決這個(gè)令人生畏的交付問題。這種輸送系統(tǒng)模仿病毒的自然過程，與目標(biāo)細(xì)胞結(jié)合，有效地將藥物轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)部。這個(gè)新平臺(tái)背后的主力是細(xì)胞外囊泡(EVs)——一種微小的、病毒大小的納米顆粒，所有細(xì)胞都能自然產(chǎn)生。在這項(xiàng)新研究中，研究人員利用合成生物學(xué)的強(qiáng)大方法構(gòu)建了DNA“程序”，當(dāng)將其插入“生產(chǎn)者”細(xì)胞時(shí)，這些“程序”會(huì)引導(dǎo)這些細(xì)胞自組裝具有有用表面特征的定制EV。這些程序還指導(dǎo)細(xì)胞生產(chǎn)和裝載生物藥物的EV。
在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，這些顆粒成功地將生物藥物——在這種情況下是CRISPR基因編輯劑，它敲除了HIV使用的受體——傳遞給T細(xì)胞，而T細(xì)胞是出了名的難以靶向的。研究人員還假設(shè)該系統(tǒng)應(yīng)該適用于許多藥物和許多類型的細(xì)胞。
這項(xiàng)研究今天(11月27日)發(fā)表在《Nature Biomedical Engineering》雜志上。這是首次成功利用EV向T細(xì)胞輸送貨物的研究。
“基因組學(xué)革命改變了我們對(duì)許多疾病的分子基礎(chǔ)的理解，但這些見解并沒有導(dǎo)致新藥的產(chǎn)生，因?yàn)橐粋€(gè)根本原因:我們?nèi)狈邢蛩幬镙斔偷叫枰鼈兊纳眢w特定部位所需的技術(shù)，”西北大學(xué)的Joshua N. Leonard說。“這些共同的交付挑戰(zhàn)阻礙了我們的發(fā)展。通過提供廣泛的交付平臺(tái)，我們可以消除將新藥推向臨床試驗(yàn)或市場(chǎng)的大量風(fēng)險(xiǎn)和成本。我們希望他們可以使用像我們這樣的模塊化、可重構(gòu)平臺(tái)，從而加快基因和細(xì)胞療法的開發(fā)和評(píng)估速度，而不是每次生產(chǎn)新藥時(shí)都設(shè)計(jì)一個(gè)新的輸送系統(tǒng)。”
作為合成生物學(xué)的先驅(qū)，Leonard是西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院的化學(xué)和生物工程教授，也是合成生物學(xué)中心(CSB)的重要成員。Leonard與西北大學(xué)創(chuàng)新與新風(fēng)險(xiǎn)投資辦公室合作，于2022年推出了Syenex，幫助細(xì)胞和基因治療開發(fā)商解決藥物輸送問題。Syenex是西北大學(xué)的新孵化器Querrey InQbation Lab中的12家初創(chuàng)公司之一。這個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)包括Julius Lucks，麥考密克大學(xué)化學(xué)和生物工程教授，CSB成員，以及Judd Hultquist，西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)(傳染病)和微生物免疫學(xué)助理教授。
靶向給藥的希望和挑戰(zhàn)
通過替換有缺陷的基因或?qū)⒔】档男禄蚧蚣?xì)胞植入病人體內(nèi)，基因和細(xì)胞療法有望治療多種疾病。利用一種運(yùn)載工具，基因療法進(jìn)入人體，將遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到特定的細(xì)胞中，以治療或預(yù)防疾病。細(xì)胞療法使用類似的方法，但轉(zhuǎn)移的是完整的細(xì)胞，這些細(xì)胞在給藥前通常在體外進(jìn)行修飾。
在大多數(shù)成功的案例中，病毒載體——使用來自病毒的部分，但不會(huì)引起感染——已經(jīng)成為細(xì)胞和基因治療的傳遞機(jī)制。但這種策略也有局限性。免疫系統(tǒng)有時(shí)會(huì)將病毒部分識(shí)別為外來病毒，并在它們運(yùn)送貨物之前阻止這些載體。
“病毒具有進(jìn)入細(xì)胞并運(yùn)送貨物的天然能力，”Leonard說。“借用病毒的部分是實(shí)現(xiàn)傳播的有效策略，但隨后你在某種程度上受到病毒進(jìn)化的傳播類型的限制。需要大量的工程工作來調(diào)整這些系統(tǒng)以改變每個(gè)應(yīng)用程序的功能。在這個(gè)故事中，我們?cè)噲D模仿病毒進(jìn)化的策略，但我們使用新的生物‘部分’來克服病毒載體的一些限制，最終使新功能成為可能。”
為了設(shè)計(jì)一款多功能汽車，研究人員將目光投向了EV，Leonard將其描述為“一張白紙”。在所有生物(從酵母到植物再到人類)中，細(xì)胞都會(huì)自然地脫落EVs，研究人員認(rèn)為EVs在細(xì)胞之間的交流和免疫功能等自然過程中發(fā)揮著重要作用。
Leonard說:“在健康和疾病的過程中，這些顆粒一直在脫落并被細(xì)胞吸收。例如，我們知道癌細(xì)胞脫落EVs，這似乎是癌癥從一個(gè)部位擴(kuò)散到另一個(gè)部位的過程的一部分。另一方面，EV也將入侵病原體的樣本從感染細(xì)胞轉(zhuǎn)移到免疫細(xì)胞，幫助身體組織有效的反應(yīng)。”
利用“空白的石板”
對(duì)于Leonard的基于EV的平臺(tái)，他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)并合成了定制的DNA分子，并將其引入生產(chǎn)細(xì)胞。DNA為制造細(xì)胞提供指令，使其產(chǎn)生新的生物分子，然后將這些分子裝載到EV的表面和內(nèi)部。這有效地產(chǎn)生了帶有特別設(shè)計(jì)特征的EV，以及已經(jīng)拖拽的貨物。
Leonard說:“我們把細(xì)胞產(chǎn)生的EV看作是一塊空白的石板，在這塊石板上，我們可以通過改造這些生產(chǎn)細(xì)胞來表達(dá)經(jīng)過改造的或天然的蛋白質(zhì)和核酸，從而構(gòu)建新的功能。這些改變了EV的功能，可以組成生物活性的治療貨物。”
為了取得成功，EV必須瞄準(zhǔn)正確的細(xì)胞，將它們的貨物轉(zhuǎn)移到這些細(xì)胞中，并避免副作用——同時(shí)避免患者始終警惕的免疫系統(tǒng)。與病毒相比，EV可能更有能力逃避免疫系統(tǒng)的排斥。因?yàn)镋V可以用患者自身細(xì)胞中的大部分物質(zhì)生產(chǎn)，所以身體不太可能將這些顆粒視為外來物質(zhì)。
T細(xì)胞的挑戰(zhàn)
為了驗(yàn)證這一概念，Leonard和他的團(tuán)隊(duì)將目光投向了一個(gè)有吸引力但頑固的目標(biāo):T細(xì)胞。由于T細(xì)胞能自然地幫助身體對(duì)抗細(xì)菌和疾病，研究人員一直在尋求增強(qiáng)T細(xì)胞在免疫治療中的天然能力。
“大多數(shù)細(xì)胞都在不斷地從環(huán)境中取樣，”該研究的主要作者Devin Stranford說，他畢業(yè)于Leonard的實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在是Syenex的一名科學(xué)家。“但是，不管出于什么原因，T細(xì)胞并沒有做到這一點(diǎn)。因此，將藥物輸送到T細(xì)胞是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)主動(dòng)吸收藥物。為了讓這些傳遞事件發(fā)生，你必須讓生物學(xué)正確。”
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)生產(chǎn)細(xì)胞來產(chǎn)生裝載Cas9的EV，Cas9是CRISPR系統(tǒng)的一部分，是一種蛋白質(zhì)，與經(jīng)過改造的RNA分子配對(duì)，指導(dǎo)它識(shí)別和改變細(xì)胞基因組中的特定DNA序列。研究人員將改良的EVs引入T細(xì)胞培養(yǎng)中。EVs有效地與T細(xì)胞結(jié)合，并成功地運(yùn)送了它們的貨物，導(dǎo)致基因編輯，使編碼HIV用于感染T細(xì)胞的受體的基因失活。盡管治療艾滋病毒感染并不是這個(gè)項(xiàng)目的直接目標(biāo)，但這項(xiàng)工作仍然說明了這一希望，展示了該技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的各種新治療功能。
Leonard說:“這項(xiàng)工作的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是使用嚴(yán)格的方法確保貨物到達(dá)需要的地方。因?yàn)槲覀冋趯?duì)這些細(xì)胞的基因組進(jìn)行編輯，我們可以使用下一代測(cè)序等強(qiáng)大的技術(shù)來確認(rèn)這些精確的編輯存在于受體細(xì)胞中，存在于它們預(yù)期的基因組位置。”
接下來是什么?
這個(gè)名為GEMINI(基因編碼多功能集成納米囊泡)的新平臺(tái)代表了一套基因工程細(xì)胞技術(shù)，可以生產(chǎn)多功能EV，以滿足不同患者的需求。
“根據(jù)不同的治療方法，可能需要10億EV，”他說。“但因?yàn)樗鼈兲×?，?shí)際上只有很少的材料。其他人已經(jīng)證明，EV可以在商業(yè)規(guī)模上以臨床可翻譯的方式生產(chǎn)。事實(shí)上，生物編碼EVs功能的一個(gè)特別好處，就像我們所擁有的，是所有的復(fù)雜性都進(jìn)入了DNA程序的工程中。一旦完成，這種工藝就很容易與成熟的現(xiàn)有制造方法兼容。”
Leonard希望通過Syenex，利用GEMINI平臺(tái)和其他合成生物學(xué)技術(shù)，快速生成最佳的遞送工具，使開發(fā)人員——從學(xué)術(shù)分支機(jī)構(gòu)到成熟的生物技術(shù)公司——能夠設(shè)計(jì)出新的、改變生命的細(xì)胞和基因療法。
Leonard說:“通過展示GEMINI平臺(tái)對(duì)貨物和納米囊泡表面成分進(jìn)行基因編碼的能力，我們可以把一個(gè)困難的生物學(xué)問題變成一個(gè)更容易的DNA工程問題。這使我們能夠利用正在進(jìn)行的DNA合成和測(cè)序的指數(shù)級(jí)改進(jìn)，這些改進(jìn)推動(dòng)了合成生物學(xué)的發(fā)展。我們樂觀地認(rèn)為，這些方法將使研究人員能夠解決重大的交付挑戰(zhàn)，并開發(fā)出新的和改進(jìn)的治療方法，使廣大患者受益。”
Devin M. Stranford, Lacy M. Simons, Katherine E. Berman, Luyi Cheng, Beth N. DiBiase, Michelle E. Hung, Julius B. Lucks, Judd F. Hultquist, Joshua N. Leonard. Genetically encoding multiple functionalities into extracellular vesicles for the targeted delivery of biologics to T cells. Nature Biomedical Engineering, 2023
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2023-11） | 
