现在，西北大学的合成生物学家已经开发出一种灵活的新平台，可以部分解决这个令人生畏的交付问题。这种输送系统模仿病毒的自然过程，与目标细胞结合，有效地将药物转移到细胞内部。这个新平台背后的主力是细胞外囊泡(EVs)——一种微小的、病毒大小的纳米颗粒，所有细胞都能自然产生。在这项新研究中，研究人员利用合成生物学的强大方法构建了DNA“程序”，当将其插入“生产者”细胞时，这些“程序”会引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和装载生物药物的EV。

在概念验证实验中，这些颗粒成功地将生物药物——在这种情况下是CRISPR基因编辑剂，它敲除了HIV使用的受体——传递给T细胞，而T细胞是出了名的难以靶向的。研究人员还假设该系统应该适用于许多药物和许多类型的细胞。

这项研究今天(11月27日)发表在《Nature Biomedical Engineering》杂志上。这是首次成功利用EV向T细胞输送货物的研究。

“基因组学革命改变了我们对许多疾病的分子基础的理解，但这些见解并没有导致新药的产生，因为一个根本原因:我们缺乏将靶向药物输送到需要它们的身体特定部位所需的技术，”西北大学的Joshua N. Leonard说。“这些共同的交付挑战阻碍了我们的发展。通过提供广泛的交付平台，我们可以消除将新药推向临床试验或市场的大量风险和成本。我们希望他们可以使用像我们这样的模块化、可重构平台，从而加快基因和细胞疗法的开发和评估速度，而不是每次生产新药时都设计一个新的输送系统。”

作为合成生物学的先驱，Leonard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与西北大学创新与新风险投资办公室合作，于2022年推出了Syenex，帮助细胞和基因治疗开发商解决药物输送问题。Syenex是西北大学的新孵化器Querrey InQbation Lab中的12家初创公司之一。这个多学科团队包括Julius Lucks，麦考密克大学化学和生物工程教授，CSB成员，以及Judd Hultquist，西北大学范伯格医学院医学(传染病)和微生物免疫学助理教授。

靶向给药的希望和挑战

通过替换有缺陷的基因或将健康的新基因或细胞植入病人体内，基因和细胞疗法有望治疗多种疾病。利用一种运载工具，基因疗法进入人体，将遗传物质转移到特定的细胞中，以治疗或预防疾病。细胞疗法使用类似的方法，但转移的是完整的细胞，这些细胞在给药前通常在体外进行修饰。

在大多数成功的案例中，病毒载体——使用来自病毒的部分，但不会引起感染——已经成为细胞和基因治疗的传递机制。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病毒，并在它们运送货物之前阻止这些载体。

“病毒具有进入细胞并运送货物的天然能力，”Leonard说。“借用病毒的部分是实现传播的有效策略，但随后你在某种程度上受到病毒进化的传播类型的限制。需要大量的工程工作来调整这些系统以改变每个应用程序的功能。在这个故事中，我们试图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，最终使新功能成为可能。”

为了设计一款多功能汽车，研究人员将目光投向了EV，Leonard将其描述为“一张白纸”。在所有生物(从酵母到植物再到人类)中，细胞都会自然地脱落EVs，研究人员认为EVs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。

Leonard说:“在健康和疾病的过程中，这些颗粒一直在脱落并被细胞吸收。例如，我们知道癌细胞脱落EVs，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，EV也将入侵病原体的样本从感染细胞转移到免疫细胞，帮助身体组织有效的反应。”

利用“空白的石板”

对于Leonard的基于EV的平台，他的团队开发并合成了定制的DNA分子，并将其引入生产细胞。DNA为制造细胞提供指令，使其产生新的生物分子，然后将这些分子装载到EV的表面和内部。这有效地产生了带有特别设计特征的EV，以及已经拖拽的货物。

Leonard说:“我们把细胞产生的EV看作是一块空白的石板，在这块石板上，我们可以通过改造这些生产细胞来表达经过改造的或天然的蛋白质和核酸，从而构建新的功能。这些改变了EV的功能，可以组成生物活性的治疗货物。”

为了取得成功，EV必须瞄准正确的细胞，将它们的货物转移到这些细胞中，并避免副作用——同时避免患者始终警惕的免疫系统。与病毒相比，EV可能更有能力逃避免疫系统的排斥。因为EV可以用患者自身细胞中的大部分物质生产，所以身体不太可能将这些颗粒视为外来物质。

T细胞的挑战

为了验证这一概念，Leonard和他的团队将目光投向了一个有吸引力但顽固的目标:T细胞。由于T细胞能自然地帮助身体对抗细菌和疾病，研究人员一直在寻求增强T细胞在免疫治疗中的天然能力。

“大多数细胞都在不断地从环境中取样，”该研究的主要作者Devin Stranford说，他毕业于Leonard的实验室，现在是Syenex的一名科学家。“但是，不管出于什么原因，T细胞并没有做到这一点。因此，将药物输送到T细胞是具有挑战性的，因为它们不会主动吸收药物。为了让这些传递事件发生，你必须让生物学正确。”

在实验中，研究人员设计了一个生产细胞来产生装载Cas9的EV，Cas9是CRISPR系统的一部分，是一种蛋白质，与经过改造的RNA分子配对，指导它识别和改变细胞基因组中的特定DNA序列。研究人员将改良的EVs引入T细胞培养中。EVs有效地与T细胞结合，并成功地运送了它们的货物，导致基因编辑，使编码HIV用于感染T细胞的受体的基因失活。尽管治疗艾滋病毒感染并不是这个项目的直接目标，但这项工作仍然说明了这一希望，展示了该技术所能实现的各种新治疗功能。

Leonard说:“这项工作的一个关键目标是使用严格的方法确保货物到达需要的地方。因为我们正在对这些细胞的基因组进行编辑，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，存在于它们预期的基因组位置。”

接下来是什么?

这个名为GEMINI(基因编码多功能集成纳米囊泡)的新平台代表了一套基因工程细胞技术，可以生产多功能EV，以满足不同患者的需求。

“根据不同的治疗方法，可能需要10亿EV，”他说。“但因为它们太小了，实际上只有很少的材料。其他人已经证明，EV可以在商业规模上以临床可翻译的方式生产。事实上，生物编码EVs功能的一个特别好处，就像我们所拥有的，是所有的复杂性都进入了DNA程序的工程中。一旦完成，这种工艺就很容易与成熟的现有制造方法兼容。”

Leonard希望通过Syenex，利用GEMINI平台和其他合成生物学技术，快速生成最佳的递送工具，使开发人员——从学术分支机构到成熟的生物技术公司——能够设计出新的、改变生命的细胞和基因疗法。

Leonard说:“通过展示GEMINI平台对货物和纳米囊泡表面成分进行基因编码的能力，我们可以把一个困难的生物学问题变成一个更容易的DNA工程问题。这使我们能够利用正在进行的DNA合成和测序的指数级改进，这些改进推动了合成生物学的发展。我们乐观地认为，这些方法将使研究人员能够解决重大的交付挑战，并开发出新的和改进的治疗方法，使广大患者受益。”

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