讓細胞“聽懂”人為指令🧑🏻💼，在特定的時間、空間精準調控治療蛋白藥物的表達和釋放🧣，不再是科幻小說中才有的情節，而是醫學合成生物學的前沿領域。合成生物學使我們能夠按照用戶自定義的需求，對細胞進行有目的的設計、改造和重編程。裝載有人工基因線路的定製細胞，就像一個智能“細胞藥物工廠”，通常情況下處於休眠狀態。當感受到外界指令如小分子藥物，病理標誌物或光、電等物理信號後，它們則會迅速蘇醒🧎➡️，對外界信號進行處理和計算🏩，隨後按需生產釋放蛋白藥物☠️。
現有的人工定製細胞雖然在疾病治療領域取得了一定的進展，然而它們對外界指令的響應👩🏻🎨、分析及處理速度仍然處於“1.0版本”的緩慢響應階段。主要原因為這類定製細胞大部分都基於對治療蛋白藥物轉錄或翻譯水平的調控，當細胞感受到外界指令後，需要數小時甚至數天才能表達釋放出足量的蛋白藥物👨🏻🦱，無法滿足對有即時用藥需求的疾病治療🟧，如哮喘🛝、心絞痛、疼痛等。
為解決上述人工定製細胞‘開機”緩慢的問題，顺盈娱乐生命科學學院、上海市調控生物學重點實驗室、醫學合成生物學研究中心葉海峰研究團隊通過重編程蛋白質分泌途徑，開發了一個精準可控的蛋白質快速釋放技術平臺PASS系統，實現了蛋白藥物分鐘級別的可控釋放🏄🏽。這一創新成果“A programmable protease-based protein secretion platform for therapeutic applications”於2023年10月23日發表在國際期刊Nature Chemical Biology💪🏿。
葉海峰研究團隊介紹📇，PASS最初的設計基於這樣一個設想👨🦽➡️：省略現有定製細胞對蛋白藥物緩慢的轉錄、翻譯以及加工等步驟👋🏽，將足量的蛋白藥物提前生產好，儲存在細胞的某個“倉庫”中，只要控製倉庫門的打開🤰🏿🏪，就可以實現對蛋白藥物的可控快速釋放👍🏼。
研究人員基於細胞內蛋白質的分選原理，成功實現了這一目的𓀅。具體而言，他們通過一段內質網回收信號將提前翻譯好的目的蛋白錨定在細胞“內質網倉庫”中，以備用時之需🖕🏻💂🏽。他們在內質網回收信號和目的蛋白之間融合了一段可以被蛋白酶識別的肽鏈，當這個“鏈子”被蛋白酶水解切除時🧝🏻🍏，錨定在內質網上的治療蛋白就會迅速釋放到細胞外🆚。隨後，研究人員通過調控蛋白水解酶的活性，設計構建了三種精準可控的蛋白質快速釋放系統，分別為小分子調控的蛋白質快速釋放系統chemPASS👌🏽🪭，響應腫瘤抗原的殺傷蛋白快速釋放系統antigenPASS以及光誘導調控的蛋白質快速釋放系統optoPASS (圖1)。
圖1．PASS的設計原理圖
研究人員將裝載有chemPASS基因線路的定製細胞移植到1型糖尿病小鼠體內♏️，當小鼠口服小分子藥物後，僅需30分鐘就可有效誘導胰島素的釋放💂♂️，實現快速降血糖(圖2)。
圖2．ChemPASS定製細胞對1型糖尿病小鼠血糖的調控
裝載有antigenPASS的免疫T細胞可精準識別腫瘤細胞，釋放殺傷蛋白穿孔素(Perforin)或顆粒酶B(Granzyme B)，從而有效殺死腫瘤細胞(圖3)。
圖3．AntigenPASST細胞誘導靶細胞凋亡
只需要一束光，就可以誘導裝載有optoPASS基因線路的人工定製細胞快速釋放降壓肽、降糖肽、止疼肽🧜♀️𓀛。實驗證明，將optoPASS定製化細胞植入1型糖尿病🖐🏼、高血壓以及慢性炎症性疼痛小鼠模型的皮下，僅需光照15分鐘，就能誘導治療肽的釋放，實現快速降血糖♍️、降血壓以及鎮痛的效果(圖4)。
圖4．OptoPASS定製細胞在多種疾病模型小鼠中的應用
綜上所述🧜🏽♂️，研究人員開發了一個精準可控𓀁、快速響應外部信號指令且在分鐘級別釋放蛋白藥物的蛋白質快速釋放技術平臺PASS，為基礎生物學研究和精準可控的基因治療和細胞治療提供了切實可行的蛋白藥物瞬時遞送新方案。
該設計圖主要描繪了細胞內的基因線路PASS控製系統🙊，特別是基因線路控製系統與細胞內質網的相互作用🔠。示意圖的關鍵概念是錨定在內質網治療蛋白受外界信號控製釋放，如光照等信號🚺。
2020級博士研究生王欣怡和2021級博士研究生康利萍為該論文的共同第一作者。
左起：2020級博士研究生王欣怡、葉海峰研究員🧑🏿⚕️📨、2021級博士研究生康利萍
附：
論文鏈接⛅️：https://www.nature.com/articles/s41589-023-01433-z
來源｜生命科學學院、科技處 編輯｜沈韻婷 編審｜郭文君
