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行业动态

合成生物学在临床领域的应用——工程化的疫苗、诊断和治疗

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    21世纪初,合成生物学已发展成为一门独特的生物工程学科,伴随着基因线路设计(例如开关、振荡器和逻辑门)的诞生,在许多领域(医药、能源、农业和环境保护等)开始发挥越来越重要的作用。与其他工程学科一样,合成生物学的关键目标是通过特定的输入(Input)获得理想的输出(Output),例如在疫苗接种过程中使核酸的蛋白质产量最大化、工程T细胞中实现对特定癌症抗原的免疫应答控制等。
    合成生物学家利用生物元件的模块化创建新系统。同时,合成生物学领域也受益于生物技术和工具的开发。新生物元件的可用性、生物系统的工程改进、核酸合成所带来的设计周期的加速等都有效推动了合成生物学领域的发展。
    在全球新冠疫情大流行背景下,人们在诊断、治疗和疾病预防方面需要有效利用生物数据和生物工程技术,以最大程度应对未来人类健康可能面临的威胁。合成生物学或将提升疫苗、诊断和治疗方法的研发速度,在生物医学应用方面带来新机遇。
    基于合成生物学的疫苗开发
    疫苗是公共卫生的重要组成部分,有助于降低许多疾病的发病率和死亡率。实现疫苗的研发目标需要两个主要步骤:(1)选择特定抗原;(2)将抗原送入体内。目前的疫苗是将全部(灭活或减活疫苗)微生物、病毒或选定成分通过不同方法引入人体。遗传学、生物化学、结构生物学和生物信息学方面的创新推动了疫苗的设计和生产,但仍面临许多挑战。合成生物学方法和技术已成功地应用于新冠(SARS-CoV-2)疫苗的研发。新冠疫苗主要有基因组密码子去优化(Genomiccodon-deoptimized)改造和基于DNA与RNA的疫苗。
合成生物学在临床领域的应用——工程化的疫苗、诊断和治疗(图1)
    基于CRISPR的诊断
    CRISPR技术已经改变了生物研究和临床医学的许多方面,包括创建较为灵敏的核酸诊断方法。例如,“附带切割”(collateralcleavage)的Cas效应器可以作为高度敏感且易于编程的核酸探测器。Cas效应器结合核酸扩增技术已经用于开发高灵敏度和特异性的核酸诊断方法。其中两种基于CRISPR的技术——SHERLOCK反应和DETECTR反应,被美国FDA授予紧急使用许可,用于检测人类临床样本中的新冠病毒。
    SHERLOCK结合了重组酶聚合酶扩增(RPA)、Cas13a检测和附带切割,以及RNA探针的信号输出。SHERLOCK技术最初版本在检测寨卡病毒、登革热病毒等RNA和DNA靶标时原子灵敏度较低。通过cr-RNA和RNA靶标之间的工程适配,SHERLOCK技术可以检测和区分病毒株和癌症相关突变的SNPs,模拟丰度低至0.1%。冷冻干燥并将其整合到纸上可以创造出便携式诊断仪,每个反应的成本为0.61美元。美国FDA首次批准了基于CRISPR的诊断技术,并授予SherlockBiosciences公司紧急使用许可,该公司的新冠病毒检测基于Sherlock改进工作流程,具有RT-LAMP扩增、Cas13a检测和附带切割步骤,并可在板读取器上检测荧光输出。
    基于附带切割的CRISPR诊断法有较强适应性、高度敏感,但该方法仍然存在一些限制。SHERLOCK技术和DETECTR技术都严重依赖等温扩增步骤提高灵敏度,通常比等效的qPCR测试低2倍(SHERLOCK技术)到17倍(DETECTR技术)。尽管有报道称SHERLOCK技术有更高的灵敏度,但这需要更大的样本输入和扩大反应体积,这种增加成本的方法在大多数情况下是不切实际的。目前批准的诊断方法通过单独的扩增和检测步骤来最大化灵敏度,减少交叉抑制效应,不过也同时增加了交叉污染和错误处理的风险。
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