治疗疾病的细胞工程：在哺乳动物细胞中设计和
汇编丨Ye Haifeng Research Group
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编者：应蛋白质和细胞杂志杂志的邀请邀请邀请邀请邀请邀请理工理工大学大学的合成合成生物学生物学大师大师，，世界世界著名著名哺乳哺乳哺乳动物动物合成合成合成生物学生物学生物学生物学生物学生物学生物学生物学生物学生物学生物学生物学生物学鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖鼻祖细胞的时间表最近在线发布。这篇综述全面总结了由哺乳动物细胞基因系设计的细胞处理方法正在从概念验证转变为临床应用。为了促进读者更直观地了解完整的文本内容，Bioart专门组织了东中国正常大学生命科学团队，马丁·福斯尼格（Martin Fussenegger）教授），将评论的评论汇总给读者！
概括
在患者中使用哺乳动物工程细胞按需生产药物的患者正在从概念验证转变为临床应用。人为定制的治疗细胞可以感知和处理与疾病相关的信号，并以可编程和可预测的方式做出反应。该评论首先介绍了治疗细胞的设计策略和可用工具。然后，讨论各种遗传线设计策略，包括各种调节细胞行为，包括开放环基因系和封闭环基因系。同时，本文强调了在包括临床和实验疾病模型在内的各种疾病中对定制细胞的早期诊断和治疗的应用。最后，本文期待着新技术，例如电子设备及其整合未来细胞疗法的潜在可能性。
关键词：合成生物学，细胞疗法，细胞工程，治疗基因表达，可控基因线
引述
卫生与医疗保健计划强调预防疾病预防，早期诊断和有效治疗方法的选择。早期发现该疾病可以提高治疗效率，改善患者的生活质量，并降低患者和医疗保健系统的经济成本。但是，由于缺乏早期诊断，当前的临床干预方法通常开始干预晚期疾病。在大多数情况下，只有在某种情况发生后，患者才会咨询医生，这会导致医生“服用正确的药物”，而不能防止发生疾病。此外，使用处方药通常需要遵守某些规则，包括严格的药物间隔，并且需要根据患者的体重，年龄和性别来确定药物的量。但是，这些规则不一定适合每个患者的实际身体状况。因此，与传统的“一种药物可以解决所有问题”的方法不同，下一个代代药物需要达到个性化的治疗策略。药物。
Aranostics结合了治疗和诊断，并采用了一种植入系统，该系统可以独立检测患者的疾病，以为潜在疾病提供正确的治疗。有两种类型的诊断和治疗系统，它们是电子系统和生物系统。两者都配备了敏感的传感器，可以感知与疾病有关的生物标志物水平，并将其转化为数字或生物产量。人造胰腺是电子诊断和治疗设备的基准。它可以检测糖尿病患者血液中的葡萄糖水平，并通过综合胰岛素泵自动向患者注入适当量的胰岛素。与传统注射的治疗相比，这种电子设备大大改善了患者的生活质量，但是设备的复杂性，对患者使用期间的社交生活造成的不便以及定期补充药物此类药物的限制定期作为毒品。性别阻碍了他们进一步的临床应用。相反，生物学诊断和治疗系统基于植入的工程细胞，这可以通过感知外部信号来使相应的治疗反应。此外，当人体提供足够的营养和能量时，基于生物系统的定制细胞可以获得长期的“寿命”。
合成生物学使用工程设计概念来合理地组装标准化模块，以创建具有特定功能的系统或新生活个体。合成生物学通过合成细胞（也称为定制细胞）开发了一系列可编程和可预测的细胞疗法。自定义单元可以感知用户定义的输入信号并处理其，然后使用自定义的治疗输出物质进行响应。通常，有三种类型的定制哺乳动物细胞用于疾病治疗：组织细胞，干细胞和人造细胞。天然形成的细胞具有特定的生物学功能。将新的合成遗传回路添加到这些细胞中，从而通过增强其活性，特异性或效率来改善细胞功能。例如，免疫细胞可以在重建后表达合成受体，从而抗击无法在其之前有效治疗的疾病。与这些细胞相比，人造细胞是工程转化的细胞。它自然无法在设定场中发挥作用，而是配备了新的功能塑料单元。人类胚胎肾细胞属于这种类型的细胞。转化后，它可以感应体内的高水平血糖并产生胰岛素以模拟β细胞的功能。工程干细胞构成第三种定制细胞，可以通过直接产生治疗分子或促进其他治疗细胞再生来促进临床治疗。例如，定制的干细胞具有固有的癌细胞趋势，可以将其传递到肿瘤微环境中。此外，自定义干细胞中的合成频谱控制网络可以通过经济有效，强和可靠的方式促进干细胞（例如β细胞）促进干细胞（例如β细胞）。
第一个说明首先引入了用于细胞工程的合成生物工具框，其次，详细讨论了足够的工程单元。它们可以自主（封闭）或由特定化合物或物理因素诱导。药物的生产。最后，讨论了新兴技术及其在治疗下一代细胞中的应用。
细胞工程的合成生物工具盒
哺乳动物的细胞工程通常从设计和构造具有特定功能的遗传线开始，然后将其上载至相应的原代细胞，永恒的细胞系或干细胞（图1B）。自定义细胞具有无限分裂和增殖的特征，通常仅用于证明概念研究。一旦移植，这些细胞将不可避免地受到宿主的免疫系统的攻击。主要细胞保留了许多自己的功能，并且可以将患者源的干细胞移植而不会触发免疫反应，这对转化药物非常有吸引力，但它们的寿命都有限。与靶向细胞和干细胞相比，人造细胞的处理易于治疗，更适合扩展培养物。遗传学通过化学试剂（例如脂肪试剂，例如脂肪体），物理试剂（例如电性穿孔）或生物试剂（例如病毒）递送至哺乳动物细胞。基因组成分可以是从外源质粒中瞬时的，也可以将其整合到工程细胞的基因组中以确保稳定的表达。如今，基因编辑技术的出现，例如CRISPR/CAS9系统，可以将基因系整合到宿主基因组组的特定点中。
为了在哺乳动物细胞中设计遗传回路，必须考虑三个问题：细胞将收到哪些刺激？如何处理刺激信号？如何回应？ （图1C）。诱导剂通常是与疾病相关的生物标志物，化学药品或其他遥控信号，将在以下各章中进行详细讨论。为了检测这些刺激信号，需要配备合适的传感器系统。传感器是一类生物分子，可以检测和响应靶配体，并且具有高配体的特异性和敏感性。传感器使用自身与配体之间的相互作用来引起其自身结构的结构，并最终通过环境通过环境进入细胞质或细胞核。门户受体和细胞质受体是合成生物学最常用的传感器，包括两种类型的天然受体和嵌合受体。天然受体具有特定功能，可用于构建具有相似功能的工程单元。例如，黑色素是对Blu -Ray敏感的GPCR（GPCR）。 （Mure等，2016），当黑色素在非视觉电荷细胞（例如HEK细胞）中表达时，它可以用作感知光的受体。嵌合受体是人造合成受体。它由蛋白质的差异结构域组成。它可以用作新受体，可以用作新受体或更换原始信号途径中的受体。例如，通过在自然促进红细胞中添加新的配体结合结构域（例如单链抗体），将GEM（GM Extrathlete分子传感器）平台添加到形成主要受体（EPOR）。同时，人造受体的激活可以通过替换细胞内信号转变域来激活各种信号途径。类似于滑形受体，可转换蛋白受体（细胞质受体） 与配体相互作用时，可以激活/丢失。
激活状态传感器可以触发内源信号通路或正交系统途径。换句话说，刺激细胞可以激活内源性或正交通道以处理输入信号并输出适当的响应信号。门户受体（天然受体，嵌合受体和离子通道）通常会激活内源信号通路，从而导致第二信使细胞内优点增加，从而导致转录因子激活或细胞代谢变化的变化。相反，正交系统旨在最大程度地减少激活成分和内源信号通路之间的变质。这些系统通常取决于其他生物的蛋白质域。例如，合成正交系统通常用于控制哺乳动物细胞中的基因表达。与病毒转录激活因子融合（例如VPR，VP16，VP64）。与信号转变 - 级反应（例如MAPK途径）不同，以促进信号扩增，正交系统通常是线性的，不会扩大。因此，当内源信号通路的完整性对于特定函数至关重要，或者具有内源信号途径的弦干扰可能会导致不良副作用，则需要正交系统的构建。
该疾病的治疗需要通过植入细胞来治疗，并且根据靶疾病的性质设计了设计反应测量。通过使用不同的生产和分泌过程，可以实现不同的治疗反应。自定义细胞意识到需要从其各自的基因组群或合成表达单位迁移治疗药物释放，细胞分化或细胞迁移。基于转录的治疗反应通常非常慢（刺激后4-8小时）。这种扩展的动力学适用于需要耐用和长期变化的疾病（例如，免疫细胞上的工程受体以对抗癌症）。相比之下，必须在几分钟或几个小时内（例如I型糖尿病）反应需要给予治疗药物的疾病。在这方面，它可以提前产生并存储在细胞中，并且在不等待转录和翻译过程的情况下刺激时立即将其释放。在这种方法中，转录和翻译以非诱导状态完成。细胞刺激仅触发药物治疗的运输和分泌。可以从任何合成的泡芙或天然纤维素（例如内部网络或高尔夫球生成体）中存储并释放治疗蛋白。
图1.治疗细胞工程。 （a）可以将哺乳动物细胞设计为输出，处理用户定义，并以可编程，可控制和可预测的方式做出响应。 （b）基于合成生物细胞疗法的细胞类型和特征。 （c）设计治疗细胞的主要步骤，包括传感器模块，处理平台和响应平台设计。传感器模块是（自然受体，嵌合受体，离子通道和可转换蛋白，都会受到各种电感剂（生物标志物，化学分子和与疾病有关的物理信号）的刺激。成分。定制细胞通过内源信号通路处理输入信号（以这种方式描述的钙路径）或阳性通过以产生生物反应。响应平台可以设计为缓慢的反应（例如所需基因的转录）或快速反应（例如，预先形成的处理蛋白的快速释放）。
封闭的环介导的治疗基因系
细胞工程的分子工具通常用于控制治疗分子的活性或剂量。目前，基于封闭环和打开电路的两种类型的控制系统都可以提供准确的真实时间控制。在封闭的环系统中，疾病生物标志物触发细胞中的分子反馈线，表达治疗蛋白，然后降低生物标志物的浓度，并且蛋白质治疗的表达逐渐降低。根据生物标志物是可溶的还是固定在细膜上的，可以将封闭的环系统分为两种类型。与膜结合的生物标志物通常呈现到细胞表面（例如感染了病毒的细胞或癌细胞）（图2A）。在这种情况下，语料库结合和细胞激活需要细胞之间的物理接触。例如在膜中表达的工程T细胞（CAR）。具有靶向细胞表面标志CD19的CAR-T细胞已获得FDA批准，目前用于治疗不同类型的白血病（例如诺华的Kymirah）。 CAR是一种嵌合受体，由单个链可变片段（生物标志物）和跨膜域中的循环中的T细胞激活信号结构域组成。使用汽车修改T细胞是T细胞工程中的流行领域。已使用不同的策略来改善转化细胞的效果，包括在定制诱导后交换或扩展细胞的内部信号结构域和基因（咬合和卡车）。可以通过自定义输入和输出信号来提高汽车的特异性。例如，分裂，通用和可编程（SOPRA）的设计使单个T细胞与用户定义的不同抗原结合使用，这使通用T细胞可以根据所选抗原调节反应的强度。为此，在上文系统中，汽车的细胞外域与其余部分分开，两者 （细胞外和其他部件）与明亮的拉链混合。跨膜信号融合结构域和细胞外闪光拉链的表达产生通用受体CAR-T细胞。可以通过添加不同的SCFV-Glitterine拉链融合来形成功能性汽车来补充该受体细胞。增加CAR-T细胞的另一种方法是增加可以同时识别的生物标志物数量。该策略更安全，允许CAR-T细胞仅在一个目标细胞（和门车T细胞）上，或者只能激活一个目标细胞时间上的一组生物标志物（A而不是B）。与CAR-T细胞在治疗血液系统的恶性肿瘤方面的成功相比，T细胞（例如T细胞的身体肿瘤的渗透率较差），抑制性肿瘤微病变（TME）和潜在的副作用阻碍了在实体在实体中应用中的CAR-T细胞治疗肿瘤。因此，使用汽车将其他类型的细胞用作克服这些障碍的方法引起了极大的兴趣。例如，带有汽车（CAR-M）的巨噬细胞可以有效地促进抗肿瘤反应并消除物理肿瘤。其他工作使用综合感应蛋白（ISNAP），这使巨噬细胞可以忽略肿瘤细胞逃避免疫系统的自defense信号机制。具体而言，巨噬细胞的ISNAP表达将肿瘤细胞的逃生信号识别为吞噬信号。与T细胞疗法相比，用CAR（CAR-NK）转化的自然杀伤（NK）细胞显示出较少的副作用。尽管CAR受体仅在免疫细胞中起作用，但细胞与细胞之间的接触也可以在其他细胞类型中进行调整（图2B）。例如，合成缺口（Synnotch）受体是具有定制靶向特异性抗原（BioMarker）和融合的货币特异性抗原（生物标志物）的额外结合结构域（Morsut等人，2016年）。与汽车受体相反 合成受体可以触发正交途径以激活所需基因的表达。在这种情况下，由T细胞及其靶标之间的物理相互作用产生的机械力暴露于Synnotch受体横膜部分中的隐藏蛋白酶位置。激活剂很容易达到细胞核所需的基因的转录并启动基因。该系统已成功地用于形成非免疫细胞的工程，以在胚胎开发过程中形成模型。用于丙型肝炎病毒抗原的合核受体的非免疫生物传感器细胞还可以在病毒样颗粒上产生抗病毒蛋白。另外，合成受体的表达已用于增加或改变CAR-T细胞的特异性。通过靶向针对癌细胞上其他抗原的免疫系统，或通过分泌免疫培养基来刺激肿瘤部位。为了扩展汽车和合成奇的目标功能，已经开发了一种称为SNAP的通用 - 使用者切换策略，以重新定位于工程T细胞的多种抗原。在SNAP-CAR/-SYNNOTCH系统中，SNAP标签的表达在T细胞膜上自标记酶导致受体与受体与吡啶（BG）木偶抗体之间的共同价格相互作用。然后，不同抗原的抗体可以激活SNAP受体及其下游效果。
基于基于非免疫细胞的基于锚固的生物标志物的另一种策略是，在HEK和MSC细胞中，嵌合IL4/13受体用信号仇恨表示。嵌合IL4/13受体触发JAK-Stat途径。由于缺乏膜结合配体，CD43EX-45INT的抑制作用阻碍了路径。 JAK-S信号通路可以通过STAT结合位点的表达元素来表达。该基因系已成功应用于非免疫系统之间的发芽干细胞。它通过在靶细胞中表达综合蛋白穿透细胞，然后杀死癌细胞，将抗癌药物转化为细胞毒性药物。
第二种类型的封闭环路通过可溶性生物标志物（例如内源代谢物（图2C））激活。表1列出了在工程单元，其特定传感器系统及其处理应用中实施的封闭环路。 RSSGER和他的同事设计了一个工程细胞，可以感知肥胖模型小鼠中脂肪酸的水平，并产生一种抑制食欲的激素pramlintide。他们使用与PPARα（过氧化物酶增殖受体）和TTGR（根皮肤素反应）融合的嵌合细胞传感器系统。该系统使用TTGR来调整PPARα-TTGR融合蛋白和弱组的组合，并使用PPARα募集不同的内源转录调节剂来控制基因表达。在没有脂肪酸的情况下，募集PPARα以抑制复合物以抑制遗传改性的表达。取而代之的是，高水平的脂肪酸将触发活化复合物的形成，启动下游基因表达并产生丙映底酯。该闭环电路可以通过脂肪酸的水平来调节遗传改性的表达，或者通过添加根真皮（TTGR的天然配体）来关闭整个闭环回路，从而指导合成启动子的抑制性PPARα-TTGR。
表1.人为定制的单元格基因线的示例表
此外，实验人员使用HEK293细胞来感知高级葡萄糖，并通过产生蛋白质胰岛素来控制1型和2型糖尿病小鼠的血糖稳定性。同时，一些研究将表达钙控制的钙通道蛋白（CAV1.3）和CAV1.3介导的钙内流以构建葡萄糖反应工程细胞。该工程细胞的控制系统由两个部分组成，即传感器CAV1.3蛋白，以及助推器启动子（即胰岛素和胰腺）效果的效果的合成。性转录因子的结合位点（即NFAT）。人工β细胞（AβC）是另一种工程细胞。通过检测高级葡萄糖并使用囊泡融合机制分泌胰岛素以模拟β细胞功能。高水平的葡萄糖在AβC中引起酶氧化和质子外观，从而在细胞质中产生低pH环境。与高血糖相关的这种低ph值可引起内部小脂质体（ISV）上空间的空间屏蔽，该脂质体（ISV）含有预性和胰岛素。线圈结构导致胰岛素从ISV释放。除可溶性代谢物外，研究人员还使用非免疫细胞开发免疫模拟细胞，并证明它可以感知细菌感染并产生抗菌肽来治疗甲基苯丙胺金藤（MRSA）。免疫模拟细胞通过表达沉重的体体来激活NF-κB内源信号通路。这种内源性方法与合成表达单元相连，以表达可溶性乙醇蓝酶（一种高度杀死的金细菌酶）。
尽管自定义细胞通常用于治疗各种疾病，但也有一些例子，即定制细胞中封闭的环遗传回路可用于早期诊断。在这种情况下，重新设计了工程单元的传感器系统以生成警报信号，而不是生成治疗蛋白。例如，“生物纹身”通过转化细胞来感知高钙血症（通常是癌症相关的早期徽标）来产生黑色素。为了开发这种创造性细胞的生物纹身，钙灵敏度（CASR）与合成表达单元相关联，该单元在激活过程中产生酪氨酸酶。在自然条件下，酪氨酸酶是在一种特殊的细胞装置（黑色素）中产生的，该细胞蛋白（黑色素）在黑素细胞中产生色素沉着。它催化酪氨酸的酚类氧化形成黑色素，以保护人体免受有害的紫外线辐射本质的侵害癌症的早期发生。
图2.联盟介导的治疗基因系。 （a）在细胞中介导的中介导的定制单元。该方法使用暴露于靶细胞表面的抗原（生物标志物）以及细胞的物理作用来激活自定义细胞。 Supra是一种通用的汽车系统，可以将特定的T细胞与不同用户定义的抗原结合起来，并在激活过程中触发内源信号通路。合成子取决于细胞和细胞相互作用后切割嵌合受体。切割合核的细胞内结构域被转移到核并开始处理基因的转录表达。另一个单元接触传感器是基于CD43EX-45INT的物理分离。在没有靶细胞的情况下，CD43EX-45INT抑制JAK/STAT信号通路。一旦定制的细胞与靶细胞结合在一起，CD43EX-45INT在物理上就在物理上是物理上的，这将CD43EX-45INT与细胞相互作用的界面分开。因此，JAK/STAT途径将被激活并启动蛋白质的表达。 （b）介导代谢物的封闭环系统。高水平的可溶性生物标志物可以刺激定制细胞以产生治疗药物并在正常范围内维持生物标志物的水平。例如，TLR平台用于激活NFκB途径和表达抗菌肽（可溶性草甘膦）来治疗MRSA。例如，β细胞模拟自定义细胞用于诱导血液中的葡萄糖浓度，并在HEK293细胞上合成表达单元的CAV1.3上表达胰岛素原代蛋白（胰岛素和HGLP1）。如果通过感知血液中的钙浓度来监测癌症的自定义细胞，则可以激活在高钙生理条件下表达酪氨酸酶以产生生物纹身。生物纹身是由酪氨酸酶产生的黑色素。
开环介导的治疗基因系
开放系统没有任何遗传编码的负反馈环，但通常使用外部诱导（例如化合物或物理信号）激活基因表达。化学诱导的分子包括有机和无机化合物，刺激的肽和挥发性气味（图3A）。例如，里维拉（Rivera）和他的同事可以迅速分泌胰岛素，可以通过使用AP22542（FKBP12（FK506）化合物的组合）迅速分泌胰岛素。该策略取决于编码的FKBP的多个重复序列调节域的表达。该结构通过连接包含脂蛋白开裂位点的连接器连接到胰岛素。在没有AP22542的情况下，FKBP胰岛素融合蛋白会在内部质量网络（ER）中收集，以防止有效运输到Golfang。相反，添加AP22542导致FKBP解锁，从内部质量网络释放融合蛋白并转移到Golfang。在畸形高尔夫基质中，Furin蛋白酶是胰岛素的一部分，然后分泌胰岛素。里维拉（Rivera）和他的同事表明，经过2小时的AP22542诱导，胰岛素被分泌，这足以减轻1型糖尿病疾病的症状。除了无机化合物外，我们日常饮食中的可食用分子也可以用作基因系的触发器。例如，通过引入C-Star（咖啡因刺激模块）转换的工程细胞（工程细胞） 可以在喝商业咖啡时产生2型糖尿病 - 胰蛋白肽1。 C-Star细胞借助咖啡因诱导的嵌合受体振兴JAK-STAT3途径。该基因与包含STAT3的结合位点合成表达单元连接，以驱动核葡萄糖样肽的表达1.本研究表明，在C -Star细胞中植入的2型糖尿病小鼠中服用咖啡可以实现稳态控制小鼠血糖。气味也可以用作基因线的诱导。 “香气细胞”是一种定制细胞，用于熔化调节以缓解疼痛。这种调节嗅觉受体的自定义细胞组成的气味表达了气味触发因素。薄荷香水刺激后，身体健身激活营地。 ，然后选择性地抑制电压门控制钠通道NAV1.7，该通道已被选择地抑制以缓解疼痛。尽管化学诱导具有很高的诱导潜力和易用性，但其潜在的临床应用通常受到副作用，生物利用或功效的限制。化学诱导具有自由扩散的特征，该特征很容易扩散到人体的其他非靶向部分，因此很难实现快速，可控制的“停止”细胞行为。
相反，没有痕量物理诱导剂可以在特定时间和空间中提供强大，高效和准确的方法来控制细胞行为。物理诱导方法还减少了交叉反应和外部影响的可能性，还避免了侵袭组织或靶器官的需求。没有痕量诱导剂包括光，磁性和机械功率，热量和电刺激，可以控制工程单元（图3B），而无需侵入性，安全和远程。表2列出了遥控自定义细胞及其在转化医学中的应用。光学是输入信号中的遗传回路，它刺激工程作为输入信号。光具有较高的时间和空间分辨率，出色的可调节性和易于逆转的优势。
表2.自定义单元格的遥控器示例表
Opto-Hek细胞是具有光控制的定制哺乳动物细胞，包括两个部分：光学受体的合成和表达元素和合成启动子驱动的仪表。通过触发钙通道，这些表达黑色视觉的光细胞（表达黑色的G蛋白奖励）使钙反应的合成促进胰腺高血糖的引发剂。当将Optio-HEK细胞植入2型糖尿病小鼠中时，在通过蓝光照射血糖后，小鼠已得到显着控制。机械干扰是另一种物理方法，没有迹线，可以通过机械敏感的离子通道或受体介导。社交介导的剪切效应可以通过压缩和拉伸机械方法产生。例如，机械敏感离子通道压电的表达在低频超声刺激下触发T细胞的内部离子流动，从而远程和精确地触发了肿瘤部位的抗-CD19嵌合受体（CAR）的表达。磁遗传学还基于外部磁场提供了基于定制的细胞远程程序调节。 Stanley和他的同事开发了一种活化的磁性纳米颗粒来刺激热遗址离子通道（TRPV1）以触发钙的内部流动。他们使用无线电波频率（465 kHz，23-32 mt）磁场来促进局部温度的升高，刺激TRPV1通道以触发钙的内部流动，然后触发合成钙反应表达的胰岛素表达的表达单位启动。在热遗传学中，温度的变化可用于刺激工程细胞。到目前为止，可以设计可通过低温（冷却，低温）或高温（加热，热疗法）控制的工程细胞。例如， 升高温度通常会导致细胞应激效应激活相关的转录因子，例如热休克蛋白。使用含有热休克蛋白70B的热增强剂（HSPA6启动子），并可以在肿瘤部位诱导用热刺激诱导T细胞激活。电遗传学是另一种使用电脉冲来设计细胞行为的技术。最近，通过直接表达的电压门控制途径（包括电压门控制钙通道）开发了一种电子控制定制单元（CAV1.2）。通过与内向的钾通道（KIR 2.1）结合，该遗传回路可以在电刺激过程中培养钙离子的内部流动。所得的细胞可溶性钙浓度增加以触发合成表达单元的遗传改性表达。为了开发具有更快动力学的工程细胞，将类似的电压门控制电路加载到胰腺β细胞系，该电池被称为电β细胞，该电池可在静电刺激后20分钟内释放预构造的胰岛素。在1型糖尿病小鼠诱导的糖尿病小鼠模型中，电β细胞可以迅速释放胰岛素并实现对血糖的稳定状态控制。
图3.开放 - 环介导的治疗基因系。 （a）通过化学分子控制细胞行为。快速细胞被设计为添加AP22542后从ER释放预先形成的靶蛋白。编码疗法基因（胰岛素或生长因子）的结构被整合到修饰的FKBP中，并与FlyNNase的奖励点分离。该结构聚集在内部质量网中，但是当存在AP22542时，它可以单膜，并将其运输到细膜以迅速释放切割蛋白。香气细胞表达一种嗅觉受体，通过激活内源性cAMP通路并产生虎毒素IV来感知挥发性薄荷。 C-Star细胞是基于咖啡因诱导的嵌合扩张而开发的。在2型糖尿病中，活化受体通过JAK/STAT3途径表达HGLP1。 （b）定制的细胞用于调节物理因素。蓝光调节的定制细胞：光HEK细胞包含黑色素可视蛋白受体，使钙离子倒入蓝光并触发HGLP1的表达。磁控制的定制细胞：磁热策略，使用磁性纳米颗粒刺激TRPV1通道，触发钙的流入到HEK细胞中，因此在无线电波频率的刺激下表达胰岛素（465 kHz，23-32 mt）。微波调节的定制细胞：T细胞上的机械敏感压电1离子通道可以触发钙流和相关的下游转录因子（例如NFAT）在低频超声刺激下。该系统的实施是远程，准确地诱导肿瘤部件T细胞上抗CD19嵌合抗原受体（CAR）的表达。使用含有含有热休克蛋白的组合表达单元的合成表达单元进行高温刺激的T细胞， 可以无线诱导汽车在所需的肿瘤位置的表达。电子控制的定制细胞：具有电刺激工程电压门控制钙通道（CAV1.2）和内部整流钾通道（KIR2.1）的电β细胞，以使预胰岛素释放（在电气刺激后20分钟内）。
摘要和前景
按需使用工程细胞以治疗疾病治疗的疾病治疗是概念上的验证。基于癌症的癌症治疗是其先驱的应用。随着分子生物学，材料科学和数字设备的发展，预计定制细胞的设计，制备和植入的新技术将通过提高细胞治疗的安全性，有效性和特异性来迅速促进未来，细胞疗法的有效性和特异性。细胞疗法的发展。例如，在分子生物学领域，生物学成分现在正在以最大效率，最小的细胞毒性和工程细胞的低风险方法发展。尽管有许多可靠的方法可以将DNA输送到细胞，但具有较大载荷的遗传线（例如遗传系的多组分）仍然是一个挑战。此外，基因编辑和基于可编程蛋白酶（例如CRISPR/CAS9）的快速开发领域，使得将目标成分准确地整合到细胞基因组中成为可能。例如，将人为合成的基因线整合到更安全的基因组群点（例如AAVS1）可以防止基因静音并确保长期存在插入基因。准备足够的工程细胞以满足临床需求是细胞疗法的另一个挑战。一般而言，与原代细胞或干细胞相比，人造细胞更适合通过生物反应器培养，因此大规模扩增更容易。患者的免疫系统在移植细胞上的激活也是一个主要问题。人源化遗传线可以减少细胞移植后的免疫原性反应。所以， 增加人性化遗传线在工程细胞中的使用将最大程度地减少免疫系统反应的风险。细胞封装是反映植入的细胞-to -anti -immune系统的另一种策略。使用材料工程来开发新的细胞包装策略，以确保对定制单元的长期移植。此外，基于光学遗传学和电遗传学的基于细胞疗法的细胞疗法，微型生物磁材料具有重要意义。可穿戴电子设备等数字技术的组合也有助于个性化的细胞疗法。可穿戴的智能设备（例如智能手机和智能手表）可以加载与健康相关的生物传感器系统，也可以使用无线电和特殊的医疗传感器来连接。因此，智能设备作为接收器模块提供了可靠的传感器平台，感觉到生物标志物的水平并将数据传递给患者，以确保患者通过化合物或物理诱导剂（例如光）调节治疗药物的水平。此外，电子设备可以潜在地收集与健康相关的数据，并通过人工算法或机器学习模型进行分析。可以通过物联网和其他与健康相关的数据的结合将处理信息传输到临床医生，以实现对患者状态的持续监控。此外，通过设计定制细胞，根据需要在特定时间释放治疗药物将有助于医生实现遥控治疗。
通常，引入了哺乳动物细胞基因线设计的主要原理的摘要，使细胞能够感知自定义配体，分析并生成自定义的响应。尽管细胞工程在疾病治疗方面仍然面临挑战，但合成生物学领域正在迅速发展。预计在不久的将来将实现早期测试和治疗治疗干预措施的进一步改善。
原始链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s13238-021-00876-1
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