威斯康星大学胡全银/浙江大学顾臻合作，最新Nature系列综述！

近年来，个性化治疗的兴起为患者提供了量身定制的治疗方案，旨在最大限度地减少治疗相关副作用并改善预后。在此背景下，工程化细胞技术作为一种创新策略，展示了在精确疾病诊断和个性化治疗中的巨大潜力。通过对内源性细胞、外源性细胞和细菌细胞进行设计和改造，可以利用不同细胞类型的固有和工程功能，实现精准医疗。

2024年6月19日，威斯康星大学麦迪逊分校胡全银助理教授团队和浙江大学顾臻教授合作，在Nature Reviews Bioengineering期刊上发表了题目为：Engineering cells for therapy and diagnosis的综述。该论文共同第一作者是威斯康星大学麦迪逊分校的Zhaoting Li, Yixin Wang。

该综述详细讨论了如何通过基因工程、生物共轭、细胞融合等多种方法对哺乳动物细胞和细菌细胞进行改造，以实现精确的疾病诊断和个性化治疗。文章还探讨了这些工程化细胞作为生物传感器和成像工具的潜力，总结了当前的临床前和临床研究进展，并指出了未来实现临床应用的关键步骤。此外，文章还讨论了提高这些细胞疗法的安全性和有效性、增强其功能性和实现大规模生产的策略。

【主要内容】

·哺乳动物和细菌细胞可以工程改造用于疾病诊断和治疗。

·细胞工程策略包括基因工程、生物偶联、细胞融合、细胞膜包裹、细胞背包、细胞表面涂层和细胞内药物载荷。

·细胞工程可以改善治疗细胞的靶向能力、治疗效果和安全性。

·细胞还可以被工程改造以改变其治疗功能和行为。

·到目前为止，只有少数工程细胞疗法获得临床批准，这凸显了这项技术的转化挑战。

细胞工程的多种策略及其应用

1. 基因工程：利用基因编辑和病毒转导技术，如CRISPR-Cas9、TALEN和锌指核酸酶技术，对细胞进行特定基因的编辑或外源基因的引入，以去除有害因素或赋予细胞新功能。这些方法广泛应用于治疗细菌和工程化免疫细胞如CAR-T细胞和CAR巨噬细胞。

2. 生物共轭：通过共价和非共价键连接生物分子或生物材料，如利用点击化学或抗体-抗原结合，将细胞与药物或纳米颗粒连接，以增强细胞治疗的靶向性和免疫调节能力。

3. 细胞融合：通过病毒、化学或物理诱导使两个细胞融合，形成具有多功能的混合细胞，用于替代损伤细胞或作为肿瘤疫苗及抗病毒纳米诱饵。

4. 细胞内药物装载：利用红细胞、血小板、巨噬细胞等细胞作为药物载体，通过低渗加载、电穿孔或吞噬作用将药物引入细胞内，以提高药物的生物相容性、半衰期和靶向性。

5. 细胞膜包裹：将药物或纳米颗粒包裹在细胞膜中，模仿源细胞的表面特性，改善生物相容性和靶向性，用于癌症、传染病和心血管疾病的治疗。

6. 细胞背包：将纳米颗粒或其他负载物附着在细胞表面，通过细胞表面共轭或吸附，增强细胞治疗的功能，如在巨噬细胞表面负载抗肿瘤药物，维持其抗肿瘤表型。

7. 细胞表面涂层：利用细胞膜、脂质、聚合物或水凝胶涂层，保护细胞在恶劣环境中的存活，或增加其在特定位置的滞留时间，如涂层益生菌以提高其在胃肠道中的存活率。

这些细胞工程策略在治疗癌症、感染性疾病和代谢性疾病中显示出广泛的应用前景，但在大规模生产和标准化操作方面仍面临挑战。

图 1：工程细胞产品的关键里程碑时间轴

图 2：细胞工程策略

工程细胞在诊断中的应用

由于非明显的症状和生物标志物的微小变化，早期诊断常常很困难。疾病部位的生物标志物在体液中往往很快被稀释，需要高灵敏度的检测方法。生物标志物可能还存在于健康组织中或缺乏特异性，因此需要多种标志物来确保诊断准确。

哺乳动物细胞生物传感器：工程化的哺乳动物细胞可以作为生物传感器，将生物物质浓度转化为可检测的信号。它们相比传统的分子生物传感器具有更复杂的信号处理能力。例如：表达TLR4的细胞在接触到LPS后可以产生荧光信号，用于检测病原体。HEK 293FT和Jurkat细胞可以工程化以感知血管内皮生长因子并分泌IL-2。表面修饰的细胞通过SARS-CoV-2刺突抗体检测抗原，通过电性质变化进行检测。红细胞膜上的纤维蛋白原受体可以涂覆在金纳米粒子上，用于检测敗血症和心血管疾病的纤维蛋白原。

细菌生物传感器:工程化的细菌可以利用布尔逻辑进行多重生物标志物的检测。例如：某些细菌能区分突变和非突变的KRAS DNA，并通过表达抗生素抗性来作为可检测的信号。大肠杆菌可以感知硫代硫酸盐和硝酸盐，用于检测肠道炎症。细菌生物传感器具有高选择性、高灵敏度和快速分析的优点，但需要考虑细胞活性和制造一致性。

用于成像的工程细胞:工程细胞提供成像功能，特别是荧光成像用于检测病变、药物分布和代谢过程。载荷到细胞上的成像试剂可以提高选择性和特异性。例如：载有纳米棒的细菌可以定位到低氧环境进行肿瘤成像和光热治疗。基于细胞膜的成像系统可以使用多模态成像技术在炎症病变或肿瘤中进行成像。工程化的细胞系可以表达生物发光或荧光蛋白，用于长期成像。

这些工程细胞技术在疾病诊断中展现了广阔的应用前景，能够提高诊断的灵敏度、特异性和复杂性，为精准医疗领域带来了新的可能性。

图 3：用于诊断的工程细胞

工程细胞在治疗中的应用

工程细胞在精准医学中探索广泛，涉及癌症、传染病、心血管疾病、糖尿病、自身免疫疾病等领域的治疗。

基于基因工程的治疗:β细胞模拟细胞可通过合成电路感知葡萄糖浓度并释放胰岛素，用于治疗1型糖尿病。光遗传工程细胞可以在远红光诱导下在糖尿病小鼠模型中生成胰岛素。CAR工程细胞用于治疗除癌症外的其他疾病，如心脏纤维化和狼疮模型。

基于生物结合的治疗:不同细胞可以结合以发挥联合治疗的作用，如HSCs和装饰有抗PD1抗体的血小板用于增强免疫疗法的抗白血病效果。通过点击化学策略修改CAR T细胞和肿瘤细胞，以增加免疫细胞对肿瘤位点的浸润。生物共轭也可应用于将细胞直接定向到特定疾病位点，如利用生物正交抗体将血小板与治疗性干细胞结合，促进其在急性心肌梗死小鼠模型中的迁移。

基于细胞融合的治疗:将血小板与其他细胞类型融合可将它们定向到特定的疾病位点，如将M2型微胶质细胞与血小板膜融合以增强对脑缺血再灌注损伤的靶向作用。

基于细胞内药物载荷的治疗:利用具有吞噬作用的细胞类型对感染、炎症或肿瘤位点做出反应，如利用中性粒细胞的炎症靶向能力，可将PTX载入并选择性地靶向剩余的胶质瘤灶。

基于细胞膜包裹的治疗:将纳米材料包裹在细胞膜中用于治疗肿瘤、感染症和糖尿病等疾病，如将红细胞膜与肿瘤细胞融合制备的混合膜，已探索用于肿瘤疫苗和光热疗法。

基于细胞背包的治疗:除癌症外，细胞背包还用于管理同种异体免疫反应，如使用TCR信号响应性IL-2纳米水凝胶修饰的调节性T细胞来抑制同种异体免疫。

这些工程细胞治疗策略显示出广泛的治疗潜力，为多种疾病的治疗带来新的可能性，促进了个性化医学的发展。

图 4：用于治疗的工程细胞

【小结展望】

总之，细胞工程技术在治疗癌症、感染性疾病、心血管和神经系统疾病方面展示了巨大潜力。尽管目前只有少数CAR T细胞和树突状细胞疫苗获得批准，但许多其他类型的工程细胞（如T细胞、自然杀伤细胞、巨噬细胞、红细胞、树突状细胞、干细胞和细菌）正在临床试验中。未来需要解决设计、安全性、制造和存储等挑战，以推动工程细胞疗法向更广泛的临床应用发展。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s44222-024-00198-x