為臨床研究開發(fā)「分子工具」，提高靶向****物的精度，實現定量可控疾病治療｜創(chuàng)新35人專欄

1 月 22 日，由 DeepTech 攜手絡繹科學舉辦的“MEET35：創(chuàng)新者說”論壇暨“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”2021 年中國線上發(fā)布儀式成功舉行。來自科學界和產業(yè)界的人士在云端共同見證了新一屆中國青年科技領軍人物登場。

DeepTech 旗下生命科學垂直媒體“生輝”邀請到“創(chuàng)新 35 人” 2021 中國入選者斯坦福大學化工系助理教授高小井，圍繞他開發(fā)的“CHOMP”、“RELEASE”和“RADAR”等新型分子工具，以及分子工具在醫(yī)療領域所帶來的影響等方面進行了深入交流。

作為“先鋒者”入選的高小井，一直專注于分子工具的研究和探索，用以控制和研究神經元和免疫細胞彼此及其與環(huán)境之間的通信，因其在創(chuàng)新分子工具研發(fā)領域取得突破性成果，成功入選“創(chuàng)新 35 人”。

獲獎時年齡：34 歲

獲獎時職位：斯坦福大學化工系助理教授

獲獎理由：從管窺果蠅神經元之奧秘，到打造人類細胞的通信回路，他通過創(chuàng)新分子工具來探索和修復生命系統。

高小井一直致力于分子工具的研發(fā)，用以控制和研究神經元和免疫細胞彼此及其與環(huán)境之間的通信。

他先前在運用遺傳工具分析果蠅嗅覺行為時開發(fā)出一種名為“TRIC”的工具，能基于神經元的活性對其進行遺傳操縱，彌補了傳統工具或依賴損傷性的手術，或記錄時間范圍過短的缺陷。如今，TRIC 早已被果蠅研究者們廣泛使用。

在博士后階段研究合成生物學時，他開發(fā)出一種名為“CHOMP”的平臺工具，能夠實驗多種多樣的蛋白回路，運作也變得更加可靠、更易預測。近期，高小井實驗室又開發(fā)了新的平臺工具“RELEASE”和“RADAR”，實現了對“Ras原癌基因”的探測以及 RNA 探測等。

除此之外，基因驅動技術雖然非常強大，但同時伴隨而來的物種滅絕等生態(tài)災難問題卻令人擔憂。高小井在分子工具領域的專長還可應用于基因驅動領域。他開發(fā)出一種基因“制動”元件，成功設計出了世界上首個基于 Cas9 基因驅動的反制實驗，可以破壞基因驅動原件并將其轉變成制動元件，使基因的傳遞變得可控。

高小井的理想是能夠以與其他工程學領域相當的精度來調控人體細胞，從而為癌癥和神經系統疾病等提供創(chuàng)新療法。

談及選擇“分子工具”這個研究領域的初衷，高小井表示，“我從高中開始就對定量的方向和方法比較感興趣，想通過數學模型來描述這個世界。在求學的過程中，我發(fā)現生物學領域有很多沒有解決的問題。”
從北京大學生物系畢業(yè)之后，高小井來到斯坦福大學讀生物學博士。從博士后研究工作開始，他便轉向了神經生物學領域，試圖通過數學模型的方法來研究神經回路、行為等一系列問題。
在研究過程中他發(fā)現：
其一，能做的生物實驗和數學模型并沒有得到很好的銜接；
其二，缺少開展實驗所需要的“分子工具”，這導致實驗受到很多條件限制。
“從這個角度考慮，我在做博士后的時候就開始專門研究‘分子工具’，不再是研究具體的問題，而是為醫(yī)學科研工作者（在開展研究過程中）提供所需要的工具?！备咝【f道。

與傳統生物工程相比，合成生物學的先進之處在于對工程設計原理的系統性應用，依據工程設計原理對天然存在的各種酶或調控分子等進行簡單化、模塊化地處理，從而設計出各種功能元件。
“相較于傳統生物技術一次只能工程化一個分子（或一種分子），合成生物學一次能夠工程化多個分子，而且這幾個分子還可以相互作用（類似于電腦電路板上各個電子元件之間相互作用），一起在細胞里實現各種功能?！备咝【赋?，“一般采用轉錄因子作為合成回路的基本元件。轉錄因子，比如蛋白DNA（一種能夠結合到DNA上的蛋白），能夠控制DNA生產蛋白?！?/span>
對于細胞而言，DNA是至關重要的攜帶遺傳信息的分子。據了解，基因組包含兩類遺傳信息，其一，是基因組DNA序列所帶來的遺傳信息，這也是傳統意義上的遺傳信息；其二，是基因組DNA的修飾，是表觀遺傳學信息，它提供了在時間和空間維度去應用DNA遺傳信息的指令?！坝捎诒碛^遺傳修飾的存在，原本是想在細胞里進行元件的測試，結果細胞對元件進行了修改，最終導致回路的運作變得不可控?！备咝【f道。
與此同時，考慮到這項技術最終的應用場景是在臨床用于病人體內，顯然，這和在實驗室中純粹地平臺搭建是完全不一樣的，面臨著兩大挑戰(zhàn)：
其一，回路包含的元件越多，其體積也就越大，但現階段依然難以把較大的分子置入人體細胞；
其二，回路需要與人體自身蛋白分子具有絕緣性，以保證信號不泄漏。
對于第二點，常規(guī)的方法是采用一些非人類蛋白來實現回路，這類蛋白和人類蛋白具有天然的絕緣性。然而一旦把非人類蛋白置入人體內又會導致另外的問題：觸發(fā)人體的免疫機制，導致回路無法正常運作。
“所以，現階段的研究中遇到的一個挑戰(zhàn)，是如何開發(fā)設計一些回路元件，做到既能和人體蛋白分子絕緣，同時又能避免被人體免疫系統消滅?！备咝【偨Y道。

他和團隊開發(fā)出一種名為CHOMP（Circuits of hacked orthogonal modular proteases）的平臺工具，讓回路里的所有元件直接在蛋白層面相互作用。“之前沒有這樣的平臺，我們通過一些蛋白酶，對其進行工程化以后，讓蛋白酶能夠互相控制。在這個領域中，我們通過這些元件第一次實現了完全在蛋白層面進行信號處理的回路。”高小井表示。
據介紹，由于CHOMP平臺里面所有的元件都是在蛋白層面相互作用，因而回路的運作更加可靠、更易預測。

“回歸到實際的臨床醫(yī)療層面，把蛋白回路遞送到人體細胞里面，遞送效率永遠都不可能是100%，事實上（離100%）還差得非常遠?！备咝【硎?，這也就意味著，即便能設計出一個完美的蛋白回路，能夠把所有原癌基因激活的細胞都殺滅，而不攻擊其他健康細胞，但是總會有一些癌細胞根本沒有“接收到”，所以這些癌細胞還會繼續(xù)生長。
“所以我們在想就是最終要解決這個問題，在回路的輸出上，除了直接殺滅細胞，還要同時對免疫系統進行‘教育’。”高小井解釋道，“讓免疫系統記住被消滅的細胞的特征，然后再找到剩下的長得差不多的細胞進行消滅。從某種意義上來說，這就相當于把一些癌細胞變成了針對其他癌細胞的疫苗?！备咝【赋觥?/span>
若只是純粹地殺滅細胞是比較容易的（只需在細胞內產生一個毒素蛋白即可），但若是想實現細胞和免疫系統進行“對話”，就需要用蛋白回路來調控細胞之間的信號?！斑@一點在我們之前開發(fā)的平臺上是實現不了的，后來開發(fā)的RELEASE（Retained endoplasmic cleavable secretion）平臺填補了這個空白?！备咝【f道，“RELEASE平臺依然是沿用CHOMP的思路（最終目的是要消滅癌細胞），我們用一個細胞內的蛋白回路，不僅可以調控這個細胞自身的生死或者其他功能，也可以調控這個細胞和它周圍細胞相互之間的通信。”他補充道。

據介紹，高小井在博士后階段設計了一個蛋白回路能夠實現對“Ras原癌基因”的探測?！巴ㄟ^先前的研究我們知道了蛋白回路的重要性，但是它存在一個很大的挑戰(zhàn)：蛋白回路工程化依然比較難，每次要探測一個不同的蛋白信號，這就又是一個五年、乃至十年的新課題。”他指出。
相對來講，探測一個特定的RNA則會容易的很多，因為RNA和RNA之間能夠形成特異的互補雙鏈。從理論層面來講，如果設計出一種能夠感知某種RNA的傳感器，那么就可以把它推廣到其他所有的RNA上?！八晕覀冇珠_發(fā)了RADAR（RNA sensing using adenosine deaminases acting on RNA）平臺。這是在我們做完很多蛋白層面的信號感知或信號處理之后，用類似的原理來做出的對RNA進行探測和信號處理的平臺，這也是我們實驗室的一個新方向?！备咝【硎?。

關于接下來的研究動向，高小井表示，除了繼續(xù)研究這些平臺之外，主要有兩個大的方向：
其一，如何讓人體的免疫系統探測不到這些分子工具；
其二，如何更好地解決遞送問題，即能夠把較大的分子工具遞送到人體細胞內。

“對于一些疾病，希望通過我們開發(fā)技術平臺或分子工具能夠進行更定量的，以及時間上更可控的操作，來治療一些以前治不了的疑難雜癥。我覺得這是我們這個領域最激動人心的地方。以靶向治療為例，可以把靶向****物的靶精度提高到前所未有的水平?！备咝【硎?。
商業(yè)化層面，“對于之前的相關研究，我們已經取得了一些專利，同時現在還有正在申請的專利?！备咝【硎?，“由于這些技術的適用性非常廣泛，理論層面能夠開發(fā)的產品類型也較為廣泛。目前，我們正在進行初創(chuàng)公司的早期階段，還沒有最終確定具體開發(fā)的產品類型。但是，我覺得我們的技術沒有或很少有競爭者，這一點可以說是我們的優(yōu)勢所在?！彼a充說。
談及商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)，高小井坦言，“對我自己而言，我比較擅長的是生物分子的工程化，但是對于下游的工作還有所欠缺，比如臨床試驗、動物模型等，好在我周圍有很多專業(yè)的人，所以我也在積極地和他們開展合作，希望在明年這個時候能夠打造出一個到兩個產品原型?！?/span>
參考資料：

• Xiaojing J. Gao, Lucy S. Chong, Matthew S. Kim and Michael B. Elowitz., Programmable protein circuits in living cells, Science 361 (6408), 1252-1258.
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• https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.28.478207v1.full
• https://baike.baidu.com/item/%E5%9F%BA%E5%9B%A0%E5%9B%9E%E8%B7%AF/53566509?fr=aladdin
• https://baike.baidu.com/item/ras%E7%99%8C%E5%9F%BA%E5%9B%A0/6235183?fr=aladdin
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