為臨床研究開(kāi)發(fā)「分子工具」，提高靶向****物的精度，實(shí)現(xiàn)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(guó)線上發(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(guó)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(qǐng)到“創(chuàng)新 35 人” 2021 中國(guó)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(yī)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(xì)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(jiǎng)時(shí)年齡：34 歲

獲獎(jiǎng)時(shí)職位：斯坦福大學(xué)化工系助理教授

獲獎(jiǎng)理由：從管窺果蠅神經(jīng)元之奧秘，到打造人類(lèi)細(xì)胞的通信回路，他通過(guò)創(chuàng)新分子工具來(lái)探索和修復(fù)生命系統(tǒng)。

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(xì)胞彼此及其與環(huán)境之間的通信。

他先前在運(yùn)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(duì)其進(jìn)行遺傳操縱，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)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(tái)工具，能夠?qū)嶒?yàn)多種多樣的蛋白回路，運(yùn)作也變得更加可靠、更易預(yù)測(cè)。近期，高小井實(shí)驗(yàn)室又開(kāi)發(fā)了新的平臺(tái)工具“RELEASE”和“RADAR”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“Ras原癌基因”的探測(cè)以及 RNA 探測(cè)等。

除此之外，基因驅(qū)動(dòng)技術(shù)雖然非常強(qiáng)大，但同時(shí)伴隨而來(lái)的物種滅絕等生態(tài)災(zāi)難問(wèn)題卻令人擔(dān)憂。高小井在分子工具領(lǐng)域的專(zhuān)長(zhǎng)還可應(yīng)用于基因驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。他開(kāi)發(fā)出一種基因“制動(dòng)”元件，成功設(shè)計(jì)出了世界上首個(gè)基于 Cas9 基因驅(qū)動(dòng)的反制實(shí)驗(yàn)，可以破壞基因驅(qū)動(dòng)原件并將其轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)木葋?lái)調(diào)控人體細(xì)胞，從而為癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)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(duì)定量的方向和方法比較感興趣，想通過(guò)數(shù)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(xiàn)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(zhuǎn)向了神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域，試圖通過(guò)數(shù)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(xiàn)：
其一，能做的生物實(shí)驗(yàn)和數(shù)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(yàn)所需要的“分子工具”，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)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(yī)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(tǒng)生物工程相比，合成生物學(xué)的先進(jìn)之處在于對(duì)工程設(shè)計(jì)原理的系統(tǒng)性應(yīng)用，依據(jù)工程設(shè)計(jì)原理對(duì)天然存在的各種酶或調(diào)控分子等進(jìn)行簡(jiǎn)單化、模塊化地處理，從而設(shè)計(jì)出各種功能元件。
“相較于傳統(tǒng)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(xì)胞里實(shí)現(xiàn)各種功能?！备咝【赋觯耙话悴捎棉D(zhuǎn)錄因子作為合成回路的基本元件。轉(zhuǎn)錄因子，比如蛋白DNA（一種能夠結(jié)合到DNA上的蛋白），能夠控制DNA生產(chǎn)蛋白?！?/span>
對(duì)于細(xì)胞而言，DNA是至關(guān)重要的攜帶遺傳信息的分子。據(jù)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(tǒng)意義上的遺傳信息；其二，是基因組DNA的修飾，是表觀遺傳學(xué)信息，它提供了在時(shí)間和空間維度去應(yīng)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(xì)胞里進(jìn)行元件的測(cè)試，結(jié)果細(xì)胞對(duì)元件進(jìn)行了修改，最終導(dǎo)致回路的運(yùn)作變得不可控?！备咝【f(shuō)道。
與此同時(shí)，考慮到這項(xiàng)技術(shù)最終的應(yīng)用場(chǎng)景是在臨床用于病人體內(nèi)，顯然，這和在實(shí)驗(yàn)室中純粹地平臺(tái)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(xiàn)階段依然難以把較大的分子置入人體細(xì)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(hào)不泄漏。
對(duì)于第二點(diǎn)，常規(guī)的方法是采用一些非人類(lèi)蛋白來(lái)實(shí)現(xiàn)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(nèi)又會(huì)導(dǎo)致另外的問(wèn)題：觸發(fā)人體的免疫機(jī)制，導(dǎo)致回路無(wú)法正常運(yùn)作。
“所以，現(xiàn)階段的研究中遇到的一個(gè)挑戰(zhàn)，是如何開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(tǒng)消滅?！备咝【偨Y(jié)道。

他和團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種名為CHOMP（Circuits of hacked orthogonal modular proteases）的平臺(tái)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(tái)，我們通過(guò)一些蛋白酶，對(duì)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(xiàn)了完全在蛋白層面進(jìn)行信號(hào)處理的回路。”高小井表示。
據(jù)介紹，由于CHOMP平臺(tái)里面所有的元件都是在蛋白層面相互作用，因而回路的運(yùn)作更加可靠、更易預(yù)測(cè)。

“回歸到實(shí)際的臨床醫(yī)療層面，把蛋白回路遞送到人體細(xì)胞里面，遞送效率永遠(yuǎn)都不可能是100%，事實(shí)上（離100%）還差得非常遠(yuǎn)?！备咝【硎荆@也就意味著，即便能設(shè)計(jì)出一個(gè)完美的蛋白回路，能夠把所有原癌基因激活的細(xì)胞都?xì)?，而不攻擊其他健康?xì)胞，但是總會(huì)有一些癌細(xì)胞根本沒(méi)有“接收到”，所以這些癌細(xì)胞還會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)。
“所以我們?cè)谙刖褪亲罱K要解決這個(gè)問(wèn)題，在回路的輸出上，除了直接殺滅細(xì)胞，還要同時(shí)對(duì)免疫系統(tǒng)進(jìn)行‘教育’。”高小井解釋道，“讓免疫系統(tǒng)記住被消滅的細(xì)胞的特征，然后再找到剩下的長(zhǎng)得差不多的細(xì)胞進(jìn)行消滅。從某種意義上來(lái)說(shuō)，這就相當(dāng)于把一些癌細(xì)胞變成了針對(duì)其他癌細(xì)胞的疫苗。”高小井指出。
若只是純粹地殺滅細(xì)胞是比較容易的（只需在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)毒素蛋白即可），但若是想實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和免疫系統(tǒng)進(jìn)行“對(duì)話”，就需要用蛋白回路來(lái)調(diào)控細(xì)胞之間的信號(hào)?！斑@一點(diǎn)在我們之前開(kāi)發(fā)的平臺(tái)上是實(shí)現(xiàn)不了的，后來(lái)開(kāi)發(fā)的RELEASE（Retained endoplasmic cleavable secretion）平臺(tái)填補(bǔ)了這個(gè)空白?！备咝【f(shuō)道，“RELEASE平臺(tái)依然是沿用CHOMP的思路（最終目的是要消滅癌細(xì)胞），我們用一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的蛋白回路，不僅可以調(diào)控這個(gè)細(xì)胞自身的生死或者其他功能，也可以調(diào)控這個(gè)細(xì)胞和它周?chē)?xì)胞相互之間的通信。”他補(bǔ)充道。

據(jù)介紹，高小井在博士后階段設(shè)計(jì)了一個(gè)蛋白回路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)“Ras原癌基因”的探測(cè)。“通過(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(zhàn)：蛋白回路工程化依然比較難，每次要探測(cè)一個(gè)不同的蛋白信號(hào)，這就又是一個(gè)五年、乃至十年的新課題?！彼赋?。
相對(duì)來(lái)講，探測(cè)一個(gè)特定的RNA則會(huì)容易的很多，因?yàn)镽NA和RNA之間能夠形成特異的互補(bǔ)雙鏈。從理論層面來(lái)講，如果設(shè)計(jì)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。“所以我們又開(kāi)發(fā)了RADAR（RNA sensing using adenosine deaminases acting on RNA）平臺(tái)。這是在我們做完很多蛋白層面的信號(hào)感知或信號(hào)處理之后，用類(lèi)似的原理來(lái)做出的對(duì)RNA進(jìn)行探測(cè)和信號(hào)處理的平臺(tái)，這也是我們實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)新方向?！备咝【硎尽?/span>

關(guān)于接下來(lái)的研究動(dòng)向，高小井表示，除了繼續(xù)研究這些平臺(tái)之外，主要有兩個(gè)大的方向：
其一，如何讓人體的免疫系統(tǒng)探測(cè)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(xì)胞內(nèi)。

“對(duì)于一些疾病，希望通過(guò)我們開(kāi)發(fā)技術(shù)平臺(tái)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【硎尽?/span>
商業(yè)化層面，“對(duì)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(xiàn)在還有正在申請(qǐng)的專(zhuān)利?！备咝【硎荆坝捎谶@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(jìng)爭(zhēng)者，這一點(diǎn)可以說(shuō)是我們的優(yōu)勢(shì)所在?！彼a(bǔ)充說(shuō)。
談及商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)，高小井坦言，“對(duì)我自己而言，我比較擅長(zhǎng)的是生物分子的工程化，但是對(duì)于下游的工作還有所欠缺，比如臨床試驗(yàn)、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。”
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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