Nature Medicine 亮點丨用薄荷醇調控治療蛋白生產的基因開關
責編 | 兮
實現安全精確調控基因的表達，對於未來基因治療和細胞治療的廣泛臨床應用非常關鍵。然而以前開發的基因開關，大部分是基於衍生於細菌或病毒的元件，比如經典的在動物實驗中廣泛應用的基於細菌和病毒組分的四環素（tetracycline）調控的TetR基因表達系統。然而其臨床轉化，因為在非人靈長類實驗中觀察到免疫反應而受到阻礙【1,2】。
免疫原性（Immunogenicity）是當前各種基因和細胞產品臨床轉化時，影響其產品的安全性（safety）和有效性（efficacy）的重要障礙，所以在開發基因或細胞產品時，應該盡量減少潛在的免疫原成分【1-3】。
2019年7月8日，蘇黎世聯邦理工Martin Fussenegger教授課題組與華東師範大學葉海峰課題組合作在Nature Medicine上發表文章A fully human transgene switch to regulate therapeutic protein production by cooling sensation，開發了一款完全由人體元件構成的由外部誘導劑調控的基因開關。
這項研究的挑戰性在於人體細胞內各種各樣的受體或元件，大部分是進化出來用於響應，監測和調節人體內部環境的，比如各種內部代謝物和信號分子。基於這些元件構建成的基因開關，就可能很容易受到人體內部因素和信號分子的干擾， 不適合構建通用的外部誘導劑調控的用以調控治療基因表達的開關。這個元件需要儘可能對人體內部各種分子「絕緣」 又可以對外部環境中，對人體友好的分子，產生響應。本研究最終關注到存在於人體或動物皮膚中響應外部涼爽溫度（無害刺激）的元件，TRPM8離子通道【4-6】。
TRPM8通道是人體或動物體內一種主要的冷感受器和薄荷醇感受器。天然物質薄荷醇（menthol）能通過食用或皮膚接觸的方式給人帶來涼爽感。這是由於薄荷醇（menthol）是一種TRPM8激動劑，它能活化TRPM8通道，導致神經細胞產生動作電位，並最終導致人體感受到涼爽的感覺【4-6】。
本研究基於這種冷感受器TRPM8，開發了一個薄荷醇（menthol）調控的基因開關。通過皮下移植基因工程改造細胞，並用薄荷醇（menthol）經皮膚，調控基因工程細胞，釋放治療蛋白的方式，治療疾病。本研究將該基因開關命名為CoolSens。
CoolSens基因開關，由冷感受器TRPM8和一個響應鈣離子的人工合成啟動子PNFAT3組成。薄荷醇 (menthol) 通過活化TRPM8離子通道，允許鈣離子進入細胞內，隨著細胞內鈣離子濃度的增加，NFAT 蛋白（Nuclear factors of activated T-cells） 轉入細胞核內，激活人工合成啟動子PNFAT3， 並最終驅動報告基因SEAP或治療基因的表達（如下圖，圖2）。
在體外進行各項指標測試後，本研究對CoolSens基因開關進行了小鼠體內測試（圖3）。經CoolSens基因開關改造的細胞，在被包裹進大概直徑500微米左右的褐藻膠微膠囊後，被注射到小鼠皮下。然後實驗人員在小鼠皮膚上塗抹一定量的含薄荷醇的自製塗膏，或者市場上的商用塗膏，比如虎標牌（Tiger balm?）萬金油。通過取血測試，發現薄荷醇塗膏可以很好的經皮膚調控膠囊化細胞釋放報告蛋白。
有一個問題，就是植入皮下的CoolSens細胞，會不會受到外界冷環境的影響。通過測試發現，皮膚層可以很好隔絕外界冷環境對對皮下CoolSens細胞的影響，甚至在對小鼠皮膚局部敷用冰袋後，也只引起血液中報告蛋白水平的輕微上升（數據見原文）。
進一步，本研究利用CoolSens基因開關分別調控表達兩種治療蛋白基因，在糖尿病小鼠模型和肌肉萎縮小鼠模型中作了測試。通過微膠囊包裹細胞，注射入小鼠皮下，然後採用經皮膚塗抹薄荷醇的方式調控治療蛋白的釋放（圖3）。在兩種疾病模型中均觀察到了療效。
總結：本研究成功構建了一個通過對皮膚施用薄荷醇調控治療蛋白生產的基因開關。
這裡再提一下，本研究採用的微膠囊技術是可以隔絕機體免疫細胞直接攻擊膠囊內的工程化細胞，然而如果工程化細胞內有大量異體成分，這些異體成分仍然有可能擴散出微膠囊，引起周圍炎症，從而危害膠囊周圍人體組織和膠囊內工程化細胞【7-9】。
本文通訊作者為蘇黎世聯邦理工Martin Fussenegger教授，這項工作在修稿期間，得到華東師範大學葉海峰教授課題組的大力支持。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41591-019-0501-8
製版人：珂
參考文獻
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