新平台解决靶向给药关键问题

近年来，细胞和基因疗法在治疗癌症、囊性纤维化、糖尿病、心脏病、艾滋病毒/艾滋病和其他难以治疗的疾病方面显示出巨大的前景。但缺乏将生物治疗药物输送到体内的有效方法，给这些新疗法推向市场以及最终推向最需要它们的患者带来了重大障碍。

现在，西北大学的合成生物学家开发了一种灵活的新平台，可以部分解决这一令人畏惧的递送问题。该输送系统模仿病毒使用的自然过程，与靶细胞结合并有效地将药物转移到内部。

这个新平台背后的主力是细胞外囊泡(EV)——所有细胞都自然产生的微小的、病毒大小的纳米粒子。在这项新研究中，研究人员利用合成生物学的强大方法来构建DNA“程序”，当将其插入“生产者”细胞时，指导这些细胞自组装具有有用表面特征的定制EV。这些程序还指导细胞生产并向电动汽车装载生物药物。

在概念验证实验中，这些颗粒成功地将生物药物(在本例中是敲除 HIV 使用的受体的 CRISPR 基因编辑剂)递送至众所周知难以靶向的 T 细胞。研究人员还假设该系统应该适用于多种药物和多种类型的细胞。

该 研究今天(11 月 27 日)发表 在《自然生物医学工程》杂志上。它标志着第一项成功使用电动汽车将货物输送到 T 细胞的研究。

“基因组学革命改变了我们对许多疾病分子基础的理解，但这些见解并没有带来新药，原因有一个：我们缺乏将靶向药物输送到体内需要的特定部位所需的技术， ” 领导这项研究的西北大学的约书亚·N·伦纳德 (Joshua N. Leonard)说道。“这些共同的交付挑战阻碍了我们。通过提供广泛的交付平台，我们可以消除将新药投入临床试验或推向市场的大量风险和成本。我们希望他们能够使用像我们这样的模块化、可重构平台，而不是每次生产新药时都设计新的输送系统，从而加快基因和细胞疗法的开发和评估速度。”

伦纳德是合成生物学的先驱，是西北大学 麦考密克工程学院的化学和生物工程教授，也是合成生物学中心(CSB) 的重要成员 。Leonard 与西北大学 创新和新创企业办公室合作，于 2022 年推出了Syenex ，帮助细胞和基因疗法开发商解决药物输送问题。Syenex 是西北大学新孵化器Querrey InQbation Lab内的 12 家初创公司之一 。这个多学科团队包括 麦考密克大学化学和生物工程教授、CSB 成员 Julius Lucks和西北大学 Feinberg 医学院医学(传染病)和微生物学-免疫学助理教授 Judd Hultquist。

靶向药物输送的前景和挑战

通过替换有缺陷的基因或将健康的新基因或细胞传递给患者，基因和细胞疗法有望治疗多种疾病。基因疗法使用递送载体进入体内，将遗传物质转移到特定细胞中以治疗或预防疾病。细胞疗法使用类似的方法，但转移完整细胞，这些细胞通常在施用前在体外进行修饰。

在最成功的案例中，病毒载体(使用源自病毒的部分但不会引起感染)已成为细胞和基因疗法的传递机制。但这种策略也有局限性。免疫系统有时会将病毒部分识别为外来物质，并在这些载体运送货物之前将其阻断。

“病毒具有进入细胞并运送货物的天然能力，”伦纳德说。“借用病毒部分是实现传递的有效策略，但随后你会受到病毒进化的传递类型的限制。调整这些系统以改变其针对每个应用程序的功能需要大量的工程工作。在这个故事中，我们转而尝试模仿病毒进化的策略，但我们使用新的生物“部分”来克服病毒载体的一些限制，并最终使新功能成为可能。”

为了设计多功能汽车，研究人员将目光投向了电动汽车，伦纳德将其描述为“一张白纸”。在所有生物中(从酵母到植物再到人类)，细胞会自然地释放 EV，研究人员认为 EV 在细胞之间的交流和免疫功能等自然过程中发挥着重要作用。

“在健康和疾病过程中，这些颗粒一直在脱落并被细胞吸收，”伦纳德说。“例如，我们知道癌细胞会脱落 EV，这似乎是癌症从一个部位扩散到另一个部位的过程的一部分。另一方面，电动汽车还将入侵病原体的样本从受感染的细胞转移到免疫细胞，帮助身体做出有效的反应。”

利用“白板”

对于 Leonard 的基于 EV 的平台，他的团队开发并合成了定制 DNA 分子，并将其引入生产细胞中。DNA 为生产细胞提供生产新生物分子的指令，然后将这些分子加载到电动汽车的表面和内部。这有效地生成了具有专门设计特征的电动汽车，并且货物已经在拖曳中。

Leonard 说：“我们将细胞产生的 EV 视为本质上的白板，我们可以通过对这些生产细胞进行改造来表达工程或天然蛋白质和核酸，从而在其上构建新功能。” “它们改变了 EV 功能，并且可以包含具有生物活性的治疗性货物。”

为了获得成功，电动汽车必须瞄准正确的细胞，将其货物转移到这些细胞中并避免副作用——同时避开患者始终保持警惕的免疫系统。与病毒相比，EV 可能更有能力逃避免疫系统的排斥。由于电动汽车可以使用主要存在于患者自身细胞中的材料来生产，因此人体不太可能将这些颗粒视为异物。

T细胞的挑战

为了测试这个概念，伦纳德和他的团队着眼于一个有吸引力但顽固的目标：T 细胞。由于 T 细胞天然地帮助身体抵抗细菌和疾病，因此研究人员一直在寻求增强 T 细胞在免疫治疗应用中的天然能力。

“大多数细胞不断地对环境中的一小部分进行采样，”该研究的主要作者德文·斯特兰福德(Devin Stranford)说，他毕业于伦纳德的实验室，现在是 Syenex 的科学家。“但是，无论出于何种原因，T 细胞并没有那么频繁地做到这一点。因此，向 T 细胞递送药物具有挑战性，因为它们不会主动吸收药物。为了发生这些传递事件，你必须掌握正确的生物学原理。”

在实验中，研究人员设计了一个生产细胞来产生装载有 Cas9 的 EV，Cas9 是 CRISPR 系统的一部分，与工程化的 RNA 分子配对，指导其识别和改变细胞基因组中的特定 DNA 序列。研究人员将修改后的 EV 引入 T 细胞培养物中。EV 有效地与 T 细胞结合并成功递送其货物，从而导致基因编辑，使编码 HIV 用来感染 T 细胞的受体的基因失活。尽管治疗艾滋病毒感染不是该项目的直接目标，但这项工作仍然说明了这一前景，展示了该技术所实现的新治疗功能的类型。

“这项工作的一个关键目标是使用严格的方法来确保货物一路到达需要去的地方，”伦纳德说。“因为我们正在对这些细胞的基因组进行编辑，所以我们可以使用下一代测序等强大的技术来确认这些精确的编辑存在于受体细胞中，位于基因组的预期位置。”

下一步是什么?

这个新平台被称为GEMINI(基因编码多功能集成纳米囊泡)，代表了一套基因工程细胞技术，可生产多功能电动汽车，以满足不同患者的需求。

“根据治疗方法，一个人可能需要十亿辆电动汽车，”他说。“但因为它们太小了，所以实际上只是少量的材料。其他人已经证明电动汽车可以以可临床转化的方式进行商业规模生产。事实上，正如我们所拥有的那样，对 EV 功能进行生物编码的一个特殊好处是，所有的复杂性都集中在 DNA 程序的设计上。一旦完成，此类工艺就很容易与成熟的现有制造方法兼容。”

通过 Syenex，Leonard 希望利用 GEMINI 平台以及其他合成生物学技术，快速生成最佳的交付工具，使开发人员(从学术衍生公司到成熟的生物技术公司)能够设计新的、改变生命的细胞和基因疗法。

“通过展示利用 GEMINI 平台对纳米囊泡的货物和表面成分进行基因编码的能力，我们可以将困难的生物学问题转化为更简单的 DNA 工程问题，”Leonard 说。“这使我们能够利用 DNA 合成和测序领域持续的指数级改进，推动合成生物学的发展。我们乐观地认为，这些方法将使研究人员能够解决重大的给药挑战，并开发新的和改进的治疗方法，使广大患者受益。”

这项名为“生物工程多功能细胞外囊泡，用于将生物制剂靶向递送至 T 细胞”的研究得到了第三海岸艾滋病研究中心、国立卫生研究院和国家科学基金会的支持。