為臨床研究開(kāi)發(fā)「分子工具」，提高靶向****物的精度，實(shí)現定量可控疾病治療｜創(chuàng )新35人專(zhuān)欄

1 月 22 日，由 DeepTech 攜手絡(luò )繹科學(xué)舉辦的“MEET35：創(chuàng )新者說(shuō)”論壇暨“35 歲以下科技創(chuàng )新 35 人”2021 年中國線(xiàn)上發(fā)布儀式成功舉行。來(lái)自科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的人士在云端共同見(jiàn)證了新一屆中國青年科技領(lǐng)軍人物登場(chǎng)。

DeepTech 旗下生命科學(xué)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(xué)化工系助理教授高小井，圍繞他開(kāi)發(fā)的“CHOMP”、“RELEASE”和“RADAR”等新型分子工具，以及分子工具在醫療領(lǐng)域所帶來(lái)的影響等方面進(jìn)行了深入交流。

作為“先鋒者”入選的高小井，一直專(zhuān)注于分子工具的研究和探索，用以控制和研究神經(jīng)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(lǐng)域取得突破性成果，成功入選“創(chuàng )新 35 人”。

獲獎時(shí)年齡：34 歲

獲獎時(shí)職位：斯坦福大學(xué)化工系助理教授

獲獎理由：從管窺果蠅神經(jīng)元之奧秘，到打造人類(lèi)細胞的通信回路，他通過(guò)創(chuàng )新分子工具來(lái)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(jīng)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(jué)行為時(shí)開(kāi)發(fā)出一種名為“TRIC”的工具，能基于神經(jīng)元的活性對其進(jìn)行遺傳操縱，彌補了傳統工具或依賴(lài)損傷性的手術(shù)，或記錄時(shí)間范圍過(guò)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(xué)時(shí)，他開(kāi)發(fā)出一種名為“CHOMP”的平臺工具，能夠實(shí)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(shí)驗室又開(kāi)發(fā)了新的平臺工具“RELEASE”和“RADAR”，實(shí)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(dòng)技術(shù)雖然非常強大，但同時(shí)伴隨而來(lái)的物種滅絕等生態(tài)災難問(wèn)題卻令人擔憂(yōu)。高小井在分子工具領(lǐng)域的專(zhuān)長(cháng)還可應用于基因驅動(dòng)領(lǐng)域。他開(kāi)發(fā)出一種基因“制動(dòng)”元件，成功設計出了世界上首個(gè)基于 Cas9 基因驅動(dòng)的反制實(shí)驗，可以破壞基因驅動(dòng)原件并將其轉變成制動(dòng)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(xué)領(lǐng)域相當的精度來(lái)調控人體細胞，從而為癌癥和神經(jīng)系統疾病等提供創(chuàng )新療法。

談及選擇“分子工具”這個(gè)研究領(lǐng)域的初衷，高小井表示，“我從高中開(kāi)始就對定量的方向和方法比較感興趣，想通過(guò)數學(xué)模型來(lái)描述這個(gè)世界。在求學(xué)的過(guò)程中，我發(fā)現生物學(xué)領(lǐng)域有很多沒(méi)有解決的問(wèn)題?！?/span>
從北京大學(xué)生物系畢業(yè)之后，高小井來(lái)到斯坦福大學(xué)讀生物學(xué)博士。從博士后研究工作開(kāi)始，他便轉向了神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域，試圖通過(guò)數學(xué)模型的方法來(lái)研究神經(jīng)回路、行為等一系列問(wèn)題。
在研究過(guò)程中他發(fā)現：
其一，能做的生物實(shí)驗和數學(xué)模型并沒(méi)有得到很好的銜接；
其二，缺少開(kāi)展實(shí)驗所需要的“分子工具”，這導致實(shí)驗受到很多條件限制。
“從這個(gè)角度考慮，我在做博士后的時(shí)候就開(kāi)始專(zhuān)門(mén)研究‘分子工具’，不再是研究具體的問(wèn)題，而是為醫學(xué)科研工作者（在開(kāi)展研究過(guò)程中）提供所需要的工具?！备咝【f(shuō)道。

與傳統生物工程相比，合成生物學(xué)的先進(jìn)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(jìn)行簡(jiǎn)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(shù)一次只能工程化一個(gè)分子（或一種分子），合成生物學(xué)一次能夠工程化多個(gè)分子，而且這幾個(gè)分子還可以相互作用（類(lèi)似于電腦電路板上各個(gè)電子元件之間相互作用），一起在細胞里實(shí)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(chǎn)蛋白?！?/span>
對于細胞而言，DNA是至關(guān)重要的攜帶遺傳信息的分子。據了解，基因組包含兩類(lèi)遺傳信息，其一，是基因組DNA序列所帶來(lái)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(guān)遺傳學(xué)信息，它提供了在時(shí)間和空間維度去應用DNA遺傳信息的指令?！坝捎诒碛^(guān)遺傳修飾的存在，原本是想在細胞里進(jìn)行元件的測試，結果細胞對元件進(jìn)行了修改，最終導致回路的運作變得不可控?！备咝【f(shuō)道。
與此同時(shí)，考慮到這項技術(shù)最終的應用場(chǎng)景是在臨床用于病人體內，顯然，這和在實(shí)驗室中純粹地平臺搭建是完全不一樣的，面臨著(zhù)兩大挑戰：
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(diǎn)，常規的方法是采用一些非人類(lèi)蛋白來(lái)實(shí)現回路，這類(lèi)蛋白和人類(lèi)蛋白具有天然的絕緣性。然而一旦把非人類(lèi)蛋白置入人體內又會(huì )導致另外的問(wèn)題：觸發(fā)人體的免疫機制，導致回路無(wú)法正常運作。
“所以，現階段的研究中遇到的一個(gè)挑戰，是如何開(kāi)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(shí)又能避免被人體免疫系統消滅?！备咝【偨Y道。

他和團隊開(kāi)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?！爸皼](méi)有這樣的平臺，我們通過(guò)一些蛋白酶，對其進(jìn)行工程化以后，讓蛋白酶能夠互相控制。在這個(gè)領(lǐng)域中，我們通過(guò)這些元件第一次實(shí)現了完全在蛋白層面進(jìn)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(shí)際的臨床醫療層面，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(shí)上（離100%）還差得非常遠?！备咝【硎?，這也就意味著(zhù)，即便能設計出一個(gè)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(huì )有一些癌細胞根本沒(méi)有“接收到”，所以這些癌細胞還會(huì )繼續生長(cháng)。
“所以我們在想就是最終要解決這個(gè)問(wèn)題，在回路的輸出上，除了直接殺滅細胞，還要同時(shí)對免疫系統進(jìn)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(cháng)得差不多的細胞進(jìn)行消滅。從某種意義上來(lái)說(shuō)，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?。
若只是純粹地殺滅細胞是比較容易的（只需在細胞內產(chǎn)生一個(gè)毒素蛋白即可），但若是想實(shí)現細胞和免疫系統進(jìn)行“對話(huà)”，就需要用蛋白回路來(lái)調控細胞之間的信號?！斑@一點(diǎn)在我們之前開(kāi)發(fā)的平臺上是實(shí)現不了的，后來(lái)開(kāi)發(fā)的RELEASE（Retained endoplasmic cleavable secretion）平臺填補了這個(gè)空白?！备咝【f(shuō)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(gè)細胞內的蛋白回路，不僅可以調控這個(gè)細胞自身的生死或者其他功能，也可以調控這個(gè)細胞和它周?chē)毎嗷ブg的通信。”他補充道。

據介紹，高小井在博士后階段設計了一個(gè)蛋白回路能夠實(shí)現對“Ras原癌基因”的探測?！巴ㄟ^(guò)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(gè)很大的挑戰：蛋白回路工程化依然比較難，每次要探測一個(gè)不同的蛋白信號，這就又是一個(gè)五年、乃至十年的新課題?！彼赋?。
相對來(lái)講，探測一個(gè)特定的RNA則會(huì )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(lái)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_(kāi)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(lèi)似的原理來(lái)做出的對RNA進(jìn)行探測和信號處理的平臺，這也是我們實(shí)驗室的一個(gè)新方向?！备咝【硎?。

關(guān)于接下來(lái)的研究動(dòng)向，高小井表示，除了繼續研究這些平臺之外，主要有兩個(gè)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(wèn)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(guò)我們開(kāi)發(fā)技術(shù)平臺或分子工具能夠進(jìn)行更定量的，以及時(shí)間上更可控的操作，來(lái)治療一些以前治不了的疑難雜癥。我覺(jué)得這是我們這個(gè)領(lǐng)域最激動(dòng)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(guān)研究，我們已經(jīng)取得了一些專(zhuān)利，同時(shí)現在還有正在申請的專(zhuān)利?！备咝【硎?，“由于這些技術(shù)的適用性非常廣泛，理論層面能夠開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品類(lèi)型也較為廣泛。目前，我們正在進(jìn)行初創(chuàng )公司的早期階段，還沒(méi)有最終確定具體開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品類(lèi)型。但是，我覺(jué)得我們的技術(shù)沒(méi)有或很少有競爭者，這一點(diǎn)可以說(shuō)是我們的優(yōu)勢所在?！彼a充說(shuō)。
談及商業(yè)化面臨的挑戰，高小井坦言，“對我自己而言，我比較擅長(cháng)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(dòng)物模型等，好在我周?chē)泻芏鄬?zhuān)業(yè)的人，所以我也在積極地和他們開(kāi)展合作，希望在明年這個(gè)時(shí)候能夠打造出一個(gè)到兩個(gè)產(chǎn)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
• https://baike.baidu.com/item/%E8%A1%A8%E8%A7%82%E9%81%97%E4%BC%A0%E4%BF%AE%E9%A5%B0/221872?fr=aladdin
• https://baike.baidu.com/item/%E8%A1%A8%E8%A7%82%E9%81%97%E4%BC%A0/3662107?fr=aladdin