为临床研究开发「分子工具」，提高靶向药物的精度，实现定量可控疾病治疗｜创新35人专栏
1 月 22 日，由 DeepTech 携手络绎科学举办的“MEET35：创新者说”论坛暨“35 岁以下科技创新 35 人”2021 年中国线上发布仪式成功举行。来自科学界和产业界的人士在云端共同见证了新一届中国青年科技领军人物登场。
DeepTech 旗下生命科学垂直媒体“生辉”邀请到“创新 35 人” 2021 中国入选者斯坦福大学化工系助理教授高小井，围绕他开发的“CHOMP”、“RELEASE”和“RADAR”等新型分子工具，以及分子工具在医疗领域所带来的影响等方面进行了深入交流。
作为“先锋者”入选的高小井，一直专注于分子工具的研究和探索，用以控制和研究神经元和免疫细胞彼此及其与环境之间的通信，因其在创新分子工具研发领域取得突破性成果，成功入选“创新 35 人”。
获奖时年龄：34 岁
获奖时职位：斯坦福大学化工系助理教授
获奖理由：从管窥果蝇神经元之奥秘，到打造人类细胞的通信回路，他通过创新分子工具来探索和修复生命系统。
高小井一直致力于分子工具的研发，用以控制和研究神经元和免疫细胞彼此及其与环境之间的通信。
他先前在运用遗传工具分析果蝇嗅觉行为时开发出一种名为“TRIC”的工具，能基于神经元的活性对其进行遗传操纵，弥补了传统工具或依赖损伤性的手术，或记录时间范围过短的缺陷。如今，TRIC 早已被果蝇研究者们广泛使用。
在博士后阶段研究合成生物学时，他开发出一种名为“CHOMP”的平台工具，能够实验多种多样的蛋白回路，运作也变得更加可靠、更易预测。近期，高小井实验室又开发了新的平台工具“RELEASE”和“RADAR”，实现了对“Ras原癌基因”的探测以及 RNA 探测等。
除此之外，基因驱动技术虽然非常强大，但同时伴随而来的物种灭绝等生态灾难问题却令人担忧。高小井在分子工具领域的专长还可应用于基因驱动领域。他开发出一种基因“制动”元件，成功设计出了世界上首个基于 Cas9 基因驱动的反制实验，可以破坏基因驱动原件并将其转变成制动元件，使基因的传递变得可控。
高小井的理想是能够以与其他工程学领域相当的精度来调控人体细胞，从而为癌症和神经系统疾病等提供创新疗法。
“想通过数学模型来描述这个世界”
谈及选择“分子工具”这个研究领域的初衷，高小井表示，“我从高中开始就对定量的方向和方法比较感兴趣，想通过数学模型来描述这个世界。在求学的过程中，我发现生物学领域有很多没有解决的问题。”
从北京大学生物系毕业之后，高小井来到斯坦福大学读生物学博士。从博士后研究工作开始，他便转向了神经生物学领域，试图通过数学模型的方法来研究神经回路、行为等一系列问题。
在研究过程中他发现：
其一，能做的生物实验和数学模型并没有得到很好的衔接；
其二，缺少开展实验所需要的“分子工具”，这导致实验受到很多条件限制。
“从这个角度考虑，我在做博士后的时候就开始专门研究‘分子工具’，不再是研究具体的问题，而是为医学科研工作者（在开展研究过程中）提供所需要的工具。”高小井说道。
在CHOMP平台实验蛋白回路更为可靠
与传统生物工程相比，合成生物学的先进之处在于对工程设计原理的系统性应用，依据工程设计原理对天然存在的各种酶或调控分子等进行简单化、模块化地处理，从而设计出各种功能元件。
“相较于传统生物技术一次只能工程化一个分子（或一种分子），合成生物学一次能够工程化多个分子，而且这几个分子还可以相互作用（类似于电脑电路板上各个电子元件之间相互作用），一起在细胞里实现各种功能。”高小井指出，“一般采用转录因子作为合成回路的基本元件。转录因子，比如蛋白DNA（一种能够结合到DNA上的蛋白），能够控制DNA生产蛋白。”
对于细胞而言，DNA是至关重要的携带遗传信息的分子。据了解，基因组包含两类遗传信息，其一，是基因组DNA序列所带来的遗传信息，这也是传统意义上的遗传信息；其二，是基因组DNA的修饰，是表观遗传学信息，它提供了在时间和空间维度去应用DNA遗传信息的指令。“由于表观遗传修饰的存在，原本是想在细胞里进行元件的测试，结果细胞对元件进行了修改，最终导致回路的运作变得不可控。”高小井说道。
与此同时，考虑到这项技术最终的应用场景是在临床用于病人体内，显然，这和在实验室中纯粹地平台搭建是完全不一样的，面临着两大挑战：
其一，回路包含的元件越多，其体积也就越大，但现阶段依然难以把较大的分子置入人体细胞；
其二，回路需要与人体自身蛋白分子具有绝缘性，以保证信号不泄漏。
对于第二点，常规的方法是采用一些非人类蛋白来实现回路，这类蛋白和人类蛋白具有天然的绝缘性。然而一旦把非人类蛋白置入人体内又会导致另外的问题：触发人体的免疫机制，导致回路无法正常运作。
“所以，现阶段的研究中遇到的一个挑战，是如何开发设计一些回路元件，做到既能和人体蛋白分子绝缘，同时又能避免被人体免疫系统消灭。”高小井总结道。
图｜CHOMP实现了二进制逻辑门（来源：论文）
他和团队开发出一种名为CHOMP（Circuits of hacked orthogonal modular proteases）的平台工具，让回路里的所有元件直接在蛋白层面相互作用。“之前没有这样的平台，我们通过一些蛋白酶，对其进行工程化以后，让蛋白酶能够互相控制。在这个领域中，我们通过这些元件第一次实现了完全在蛋白层面进行信号处理的回路。”高小井表示。
据介绍，由于CHOMP平台里面所有的元件都是在蛋白层面相互作用，因而回路的运作更加可靠、更易预测。
借助RELEASE平台蛋白回路可调控细胞之间的通信
“回归到实际的临床医疗层面，把蛋白回路递送到人体细胞里面，递送效率永远都不可能是100%，事实上（离100%）还差得非常远。”高小井表示，这也就意味着，即便能设计出一个完美的蛋白回路，能够把所有原癌基因激活的细胞都杀灭，而不攻击其他健康细胞，但是总会有一些癌细胞根本没有“接收到”，所以这些癌细胞还会继续生长。
“所以我们在想就是最终要解决这个问题，在回路的输出上，除了直接杀灭细胞，还要同时对免疫系统进行‘教育’。”高小井解释道，“让免疫系统记住被消灭的细胞的特征，然后再找到剩下的长得差不多的细胞进行消灭。从某种意义上来说，这就相当于把一些癌细胞变成了针对其他癌细胞的疫苗。”高小井指出。
若只是纯粹地杀灭细胞是比较容易的（只需在细胞内产生一个毒素蛋白即可），但若是想实现细胞和免疫系统进行“对话”，就需要用蛋白回路来调控细胞之间的信号。“这一点在我们之前开发的平台上是实现不了的，后来开发的RELEASE（Retained endoplasmic cleavable secretion）平台填补了这个空白。”高小井说道，“RELEASE平台依然是沿用CHOMP的思路（最终目的是要消灭癌细胞），我们用一个细胞内的蛋白回路，不仅可以调控这个细胞自身的生死或者其他功能，也可以调控这个细胞和它周围细胞相互之间的通信。”他补充道。
图｜使用 RELEASE 控制生物活性蛋白（来源：论文）
据介绍，高小井在博士后阶段设计了一个蛋白回路能够实现对“Ras原癌基因”的探测。“通过先前的研究我们知道了蛋白回路的重要性，但是它存在一个很大的挑战：蛋白回路工程化依然比较难，每次要探测一个不同的蛋白信号，这就又是一个五年、乃至十年的新课题。”他指出。
相对来讲，探测一个特定的RNA则会容易的很多，因为RNA和RNA之间能够形成特异的互补双链。从理论层面来讲，如果设计出一种能够感知某种RNA的传感器，那么就可以把它推广到其他所有的RNA上。“所以我们又开发了RADAR（RNA sensing using adenosine deaminases acting on RNA）平台。这是在我们做完很多蛋白层面的信号感知或信号处理之后，用类似的原理来做出的对RNA进行探测和信号处理的平台，这也是我们实验室的一个新方向。”高小井表示。
图｜RADAR的独特功能和潜在应用（来源：论文）
希望明年打造出产品原型
关于接下来的研究动向，高小井表示，除了继续研究这些平台之外，主要有两个大的方向：
其一，如何让人体的免疫系统探测不到这些分子工具；
其二，如何更好地解决递送问题，即能够把较大的分子工具递送到人体细胞内。
图｜（来源：Pixabay）
“对于一些疾病，希望通过我们开发技术平台或分子工具能够进行更定量的，以及时间上更可控的操作，来治疗一些以前治不了的疑难杂症。我觉得这是我们这个领域最激动人心的地方。以靶向治疗为例，可以把靶向药物的靶精度提高到前所未有的水平。”高小井表示。
商业化层面，“对于之前的相关研究，我们已经取得了一些专利，同时现在还有正在申请的专利。”高小井表示，“由于这些技术的适用性非常广泛，理论层面能够开发的产品类型也较为广泛。目前，我们正在进行初创公司的早期阶段，还没有最终确定具体开发的产品类型。但是，我觉得我们的技术没有或很少有竞争者，这一点可以说是我们的优势所在。”他补充说。
谈及商业化面临的挑战，高小井坦言，“对我自己而言，我比较擅长的是生物分子的工程化，但是对于下游的工作还有所欠缺，比如临床试验、动物模型等，好在我周围有很多专业的人，所以我也在积极地和他们开展合作，希望在明年这个时候能够打造出一个到两个产品原型。”
参考资料：
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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