合成生物学驱动再生医学创新：从细胞工程到器官修复.pdf

组织工程与重建外科 2024 年 2 月 第 20 卷第 1 期 综述 doi:10.3969/j.issn.1673-0364.2024.01.015合成生物学驱动再生医学创新：从细胞工程到器官修复田宝星侯梦洁王斌【提要】随着合成生物学的快速发展，其与再生医学的结合后，为细胞工程和器官修复开辟了新的途径。合成生物学的技术可用于精确修复基因缺陷，将成体细胞重编程为诱导多能干细胞后进行定向分化，可用于患者自身细胞的再生医学治疗。此外，合成生物学还可应用于设计组织工程材料和三维打印人工器官。尽管存在生物安全等方面的挑战，但合成生物学的发展将推动再生医学向精准化方向发展，实现个体化治疗。合成生物学与再生医学的跨学科合作，将有助于各项核心技术得到进一步提升与创新，对再生医学的发展意义重大。【关键词】合成生物学；再生医学；细胞工程；器官修复；个体化精准治疗【中图分类号】R318.1【文献标志码】B【文章编号】1673-0364（2024）01-0129-07Synthetic biology is driving regenerative medicine innovation：From cell engineering to organ repair TIAN Baoxing1，HOU Mengjie2，WANG Bin2.1 Department of Breast Surgery，Tongren Hospital，Shanghai Jiao Tong University School of Medicine，Shanghai 200336，China；2 Department of Plastic and Reconstructive Surgery，Shanghai Ninth People s Hospital，Shanghai Jiao Tong University School of Medicine，Shanghai 200011，China.Corresponding author：WANG Bin（E-mail：）.【Summary】With the rapid development of synthetic biology，its combination with regenerative medicine has opened up new pathways for cell engineering and organ repair.Synthetic biology techniques can be used to precisely repair genetic defects，reprogram mature cells into induced pluripotent stem cells，and perform targeted differentiation for regenerative medical treatment of patients own cells.In addition，synthetic biology can also be applied to design tissue engineering materials and 3D printing artificial organs.Despite the challenges such as biosafety and ethics，the progress in synthetic biology will drive the development of regenerative medicine towards precision and personalized treatment.The convergence of synthetic biology and regenerative medicine will facilitate further improvements and innovations in various core technologies for the advancement of regenerative medicine.【Key words】Synthetic biology；Regenerative medicine；Cell engineering；Organ repair；Individualized precision therapy合成生物学是一门将生物学与工程学相互结合的交叉学科，旨在通过使用和修改生物系统，重新设计并创造新的生物功能1。该学科涉及生命科学、物理科学、计算机科学和工程等多个领域，其目标是理解自然界的生物系统，并设计和构建新的具有预定功能的生物系统2。再生医学是一门专注于利用生物学、医学和工程技术，以实现人体细胞、组织和器官的再生与修复来治疗疾病和损伤的学科3。合成生物学的发展为人体组织和器官的再生带来了新的机遇，尤其是在细胞工程和器官修复领域，可提高再生医学治疗的效率和精准性。本文的目的是探讨合成生物学驱动再生医学创新，对从细胞工程到器官修复的各个环节进基金项目：国家重点研发计划（2022YFC2703700，2022YFC2703704）；上海交通大学医学院附属第九人民医院先天性肢体畸形生物 样 本 库 建 设 项 目（YBKB202108）、罕 见 病 注 册 登 记 项 目（JYHJB202205）。作者单位：200336上海市上海交通大学医学院附属同仁医院乳腺外科（田宝星）；200011上海市上海交通大学医学院附属第九人民医院整复外科（侯梦洁，王斌）。通信作者：王斌（E-mail：）。注：田宝星、侯梦洁为共同第一作者。129Journal of Tissue Engineering and Reconstructive Surgery，February 2024，Vol.20 No.1行详细综述。1合成生物学的发展历程合成生物学的发展可以追溯到 20 世纪 70 年代初，研究利用基因工程和分子生物技术对生物体的 DNA 进行定向改造，改变细胞代谢以提高天然代谢产物的产生和新代谢物的产生4。随着全基因组测序技术的发展，以及生物信息学和生物计算的进步，合成生物学进入了一个快速发展期。2010年，Gibson等5成功地在一种细菌中植入了人工合成的基因组，创造出了人工生命，被称为合成生物学的里程碑事件。近年来，合成生物学的研究从单一的基因水平扩展到了更高的系统层次，如细胞和组织，甚至器官水平。通过构建合成的生物网络和途径，探索创造全新的生物功能，开发用于治疗传染病和癌症的合成生物学疗法，以及微生物组工程、细胞治疗和再生医学的新方法6。合成生物学的发展为理解和操纵生命系统提供了新的工具和途径，其进步和应用将会对医学、农业、工业生产乃至环境保护等多个领域产生深远影响。2合成生物学为再生医学带来了新机遇再生医学是一门专注于利用生物学、医学和工程技术实现人体细胞、组织和器官的再生与修复来治疗疾病和损伤的学科3。20世纪 50年代，Singer等7通过观察肝脏和皮肤等组织的自我修复过程，发现了细胞增殖和分化的规律。随着分子生物学、细胞生物学和生物工程技术的发展，可通过操纵细胞和组织实现组织再生。21世纪初，干细胞技术的迅猛发展促进再生医学进入了新的阶段，即通过诱导干细胞生成各种类型的细胞，并用于修复或替换受损的人体组织8。此外，3D生物打印技术的出现，为再生医学带来了新的可能性，即通过3D生物打印，可以在实验室中构建出复杂的人体组织结构，并用于药物筛选、疾病模型构建，以及器官移植等众多领域9-10。合成生物学的发展让精确操控生物系统成为可能，如衍生特异性干细胞、定向分化干细胞、构建合成基因网络和信号通路等11-12，为人体组织和器官的再生带来了新的机遇，尤其是在细胞工程和器官修复领域13-14。2.1基因表达、合成基因网络和信号通路的精确操控：CRISPR-Cas9系统的应用基因表达的精确操控是细胞工程的一个核心部分，涉及到对细胞内特定基因的启动、关闭、增强或削弱15。近年来，CRISPR-Cas9系统的引入为基因编辑技术带来了革命性的突破16。CRISPR-Cas9系统是一种灵活、高效且具有精准基因编辑能力的工具，已被广泛应用于细胞工程和再生医学研究中。CRISPR-Cas9系统由CRISPR RNA和转录单元的 RNA 组成，以及可精确切割 DNA 的 Cas9 蛋白。该系统能够通过与特定 DNA序列配对，将 Cas9蛋白引导到目标基因位点，并切割目标DNA，实现在细胞中精确修改目标基因，实现基因的添加、删除或修饰17。CRISPR-Cas9 系统在细胞工程中的应用已经取得了许多重要的突破。首先，可用于基因治疗，即通过修复或替换缺陷基因来治疗遗传性疾病。CRISPR-Cas9 系统可以切割和修复杜氏肌营养不良症患者细胞中的缺陷基因，恢复其正常功能，为遗传性疾病的治疗提供了新的希望18。2.2细胞重编程：将成体细胞转化为多能干细胞细胞重编程是一项革命性的技术，利用合成生物学的工具和策略，将成体细胞转化为多能干细胞，即诱导多能干细胞（Induced pluripotent stem cells，iPSCs），为组织修复提供新的途径，在再生医学研究中具有重要的意义。Takahashi 等19首 次 将 4 个 转 录 因 子（Oct4、Sox2、Klf4和 c-Myc）引入分化的人类体细胞（成纤维细胞）中，成功将其编辑为iPSCs，为成体细胞再生修复提供了新策略。随着合成生物学的发展，CRISPR-Cas9基因编辑系统靶向破坏 HLA基因的iPSCs，可有效避免HLA错配引起的免疫排斥反应，从而具有更好的免疫相容性，极大地促进了基于iPSCs的再生医学应用20。通过将iPSCs分化成特定的细胞类型，可重建受损组织或器官，如iPSCs可以分化成心脏细胞用于治疗心脏病，或分化成神经细胞用于治疗神经退行性疾病21。2.3细胞工程：改造和定向分化细胞以实现组织再生细胞工程是合成生物学在再生医学中的重要应用之一，旨在通过改造和定向分化细胞，实现组织再生和修复。合成生物学可通过修改细胞的基因以改变其特性和功能，使之具有更好的再生和修 130组织工程与重建外科 2024 年 2 月 第 20 卷第 1 期复能力，合成生物学改造的工程细胞在再生医学中有着广泛的应用前景22。合成生物学通过设计和构建合成基因网络和信号通路，决定细胞分化命运和生物学功能，尤其在干细胞再生医学领域中，通过基因编辑技术，精确地修改细胞的遗传信息，重新设计和改造生物系统，使其具有更强的增殖和分化能力，精确控制细胞的分化类型，从而促进细胞再生和组织器官修复。通过设计和构建特定的基因网络，将患者自身的成体细胞重编程为干细胞，然后定向分化为所需的细胞类型，用于患者自身细胞的再生医学治疗，避免了免疫排斥的问题，如心肌细胞或神经细胞，从而实现心脏或神经组织的再生23，此外，还可以通过调控细胞的信号通路，实现细胞的定向迁移和组织重建24。生物材料在细胞工程中扮演着重要的角色。合成生物学的进步使生物材料可被设计和构建成具有指定的特性，以促进细胞的定向分化和组织再生25。此外，生物材料还可以通过释放生长因子或其他生物活性分子，调控细胞的行为和功能，以实现组织再生和修复26。2.4人工器官与组织的构建：生物打印技术的应用生物打印技术是合成生物学在器官修复中的重要应用之一，利用3D打印技术和生物材料，将细胞和生物活性物质以特定的方式打印在支架上，以构建人工器官和组织，为器官移植和组织工程提供了新的解决方案。生物打印技术利用3D打印技术的精确性和可控性，可以精确地将细胞和生物材料打印在特定的位置和形状上，设计和构建具有特定结构和功能的人工器官和组织。例如，通过将细胞和生物材料层层叠加，可以构建出复杂的结构（血管、骨骼和肌肉等）27。这种精确的构建方式可以使人工器官和组织具有更好的生物相容性和功能。此外，具有良好的生物相容性和生物活性的生物材料，能够提供细胞生长和分化所需的支持，对于构建人工器官和组织非常重要。常用的生物材料包括天然生物材料（如胶原蛋白、明胶等）和合成生物材料（如聚乳酸、聚己内酯等）28。这些生物材料可以通过调控其物理和化学特性，如生物降解性、机械性能和生物活性分子的释放，来满足人工器官和组织的需求。尽管生物打印技术在器官修复中具有巨大的潜力，但仍面临一些挑战。首先就是保持细胞活性和功能。在生物打印过程中，细胞可能会受到机械刺激和环境变化等因素的影响，导致存活率和生物功能降低。其次是构建复杂的器官和组织结构。生物打印技术目前主要应用于构建较简单的组织结构，如皮肤和软骨等。但是生物打印技术在构建功能性复杂器官时，如肝脏和肾脏，仍面临血管系统形成、细胞存在率下降等技术瓶颈，需要进一步的研究。此外，生物打印技术还面临着生产成本和规模化生产的挑战。目前，生物打印设备和生物材料的成本较高，限制了其在临床的广泛应用。3合成生物学驱动再生医学创新案例3.1皮肤再生：从细胞培养到应用皮肤是内外环境之间的屏障，是人体最大的器官，大多情况下受伤的皮肤能够刺激自我再生。然而，对于深度损伤和烧伤，或直径超过4 cm的全层皮肤的任何损伤都需要移植治疗，且许多慢性伤口无法愈合，这可能导致患者截肢和死亡29。组织工程皮肤改变了传统皮肤伤口的愈合模式，是第一个从实验室研究到临床应用的工程器官30。随着合成生物学的快速发展，通过细胞培养和生物材料工程以及三维生物打印技术，已经成功地构建了具有类似皮肤结构和功能的人工皮肤31。Zhou 等32开发了一种使用新设计的仿生生物墨水（GelMA/HA-NB/LAP）和基于数字光处理（DLP）的 3D 打印技术打印功能性活皮肤的新方法，该人工皮肤可模仿自然皮肤的生理结构来促进皮肤再生和有效的新生血管形成，并具有即时防 御 功 能。此 外，Zhang 等33开 发 了 由 GelMA HAMA 纤维蛋白构成的 3D 生物打印组织工程皮肤，通过增强血管形成和上皮化从而有效修复全层皮肤损伤。基因编辑技术是合成生物学中的一个重要工具，可以用于修改细胞的基因组，促进皮肤的再生。Sun 等34通过 dCas9-VP64 和 sgRNA 来编辑人骨髓基质干细胞中外胚层发育不良基因（EDA），成功诱导其分化为汗腺样细胞，在烧伤动物模型中，将该工程细胞植入深度烧伤创面中，发现了排汗能力的恢复，为深度烧伤治疗和皮肤再生提供了新的可能性。Bonafon等35利用Cas9/sgRNA系统编辑衍生自 131Journal of Tissue Engineering and Reconstructive Surgery，February 2024，Vol.20 No.1隐性营养不良大泡性表皮松脱症患者的角质形成细胞，然后移植到免疫缺陷小鼠中后，编辑的细胞能够产生功能性Col7A1并再生黏附性皮肤。3.2人工心脏瓣膜：改善传统修复技术瓣膜性心脏病仍然是一个重要的全球健康问题，发病率和死亡率都在逐年增加36。心脏瓣膜置换术改变了瓣膜性心脏病的普遍致命结果，但在手术后 12年内，高达 50%的人工心脏瓣膜接受者出现了与假体相关的并发症37，特别是金属瓣膜出现栓塞，生物假体瓣膜渐进性钙化和结构恶化38。随着合成生物学发展，传统的心脏瓣膜修复技术得以改善，显著提高了人工心脏瓣膜的功能和耐久性。传统的人工心脏瓣膜通常由生物材料制成，如动物组织或生物聚合物，但是这些类型的人工瓣膜的可及性有限，异种材料则会产生较高的感染和免疫风险。通过合成生物学的方法改良了这些生物材料后，提高了人工心脏瓣膜的功能和耐久性39。Weber等40报道利用可生物降解的合成材料和血管衍生细胞的脱细胞成功构建人工心脏瓣膜，显著改善了人工心脏瓣膜的生物相容性和原位重塑能力。基于合成生物学的方法，人工心脏瓣膜的生物相容性和功能性得到了进一步的提升，促进iPSC衍生的心肌细胞的分化和生长41。Kaiser等42使用混合纤维蛋白和胶原支架将iPSC衍生分化为工程心肌组织。此外，Emmert等43-45也成功地利用自体骨髓间充质细胞和人工支架材料构建出具有天然瓣膜结构和功能的人工心脏瓣膜，该人工心脏瓣膜具有调节体内早期炎症反应的功能，可以提高人工心脏瓣膜的生物相容性、耐久性，可以通过移植手术植入患者的心脏，取代受损的瓣膜。3.3软骨再生：推动软骨再生的新突破软骨是一种没有血管、神经和淋巴的结缔组织，主要功能是为骨关节提供缓冲和润滑，减少摩擦力，保护骨骼46。然而，由于其特殊的生理结构，软骨一旦发生损伤，自我修复的能力非常有限47。合成生物学为软骨再生提供了新的思路和工具，推动软骨再生的新突破。合成生物学可以用于设计和制备生物材料，如生物相容的聚合物和纳米材料，这些材料可以模拟软骨的自然环境，为软骨细胞的生长和分化提供支持48。通过合成生物学技术可以对细胞行为进行精细调控，Bonato等49利用基因编辑技术，通过敲除多趾软骨细胞中 TGF-活化激酶 1 基因构建的工程软骨组织具有更好的抵抗炎症特性；Seidl等50使用CRISPR/Cas9介导的基因编辑策略重建了人类关节软骨细胞群，稳定地降低了软骨中 MMP13 的表达，间接减少了细胞外基质的降解，大大提高了细胞修复软骨的疗效。4合成生物学驱动再生医学创新的未来展望4.1技术进步和挑战：生物安全、伦理和法律问题合成生物学与再生医学的结合将提供一种强大的解决方案，以满足对细胞、组织和器官再生的需求。但是，合成生物学的快速发展面临着一些涉及生物安全、伦理和法律等方面的挑战和问题51。首先，合成生物学的迅速发展可能带来一些生物安全问题。如合成生物体不受控制地进入环境，可能会对生态系统产生影响；另外，合成生物学的技术可能被滥用于恶意制造生物武器或有害生物，可能会对人类健康构成威胁52。因此，建立相关的生物安全标准和监管机制至关重要，以确保合成生物学的应用能够在安全的环境中进行。其次，合成生物学的发展也引发了一系列伦理、社会问题以及法律问题53。如合成生物学的技术可能涉及对人类胚胎、干细胞等基因编辑等，引发了与生命伦理学相关的争议，甚至还可能创造人类非人类嵌合体，引发社会和文化方面的问题54-55。因此，涉及到合成生物学技术需要公众和政府共同参与，并建立相关的法律框架来规范和监管，以促进合成生物学的发展与社会的和谐发展相一致56。4.2个体化治疗的实现：基于合成生物学的精准医学合成生物学的发展为实现个体化治疗提供了新的机会。通过合成生物学的方法，可以根据患者的基因组信息和疾病特征，定制个体化的治疗方案，促进再生医学的创新。合成生物学的技术可用于精确编辑患者基因组中的异常基因，从而实现精准的基因治疗。例如，通过基因编辑技术 CRISPR-Cas9，可以直接修复或修饰患者基因组中存在的错误或缺陷，以治疗遗传性疾病或促进再生医学治疗的效果17。通过合 132组织工程与重建外科 2024 年 2 月 第 20 卷第 1 期成生物学的技术定制特定功能的工程细胞，以实现个体化的再生医学治疗，例如通过基因编辑技术和细胞重编程，将患者的体细胞转化为iPSCs，然后再诱导其分化为特定类型的细胞，用于特定部位的细胞、组织或器官再生治疗57-59。此外，通过整合大规模的基因组、转录组和蛋白质组数据，结合机器学习和深度学习算法，可以预测患者对特定治疗的反应，从而实现个性化的治疗方案；亦可利用合成生物学的技术设计、合成特异性的抗体药物，用于治疗特定类型的遗传性、家族性疾病，实现更高的疗效并减少副作用。4.3合成生物学与再生医学合作的重要性：跨学科研究的前景合成生物学和再生医学之间的合作具有重要的意义，可以促进跨学科研究的发展，推动再生医学的创新，主要有以下几个领域。合成生物学与组织工程的融合：合成生物学的方法可用于设计和构建具有特定功能的细胞和组织工程材料，用于再生医学的治疗和修复。例如，利用合成生物学的技术构建具有特定功能的人工血管，用于心血管再生医学。合成生物学与干细胞研究的结合：合成生物学的方法可用于调控干细胞的分化和再生能力，从而实现更有效的再生医学治疗。例如，利用合成生物学的技术设计和合成特定信号通路或基因网络，以控制干细胞的分化方向和功能。生物传感器与再生医学的结合：合成生物学的方法可用于构建生物传感器，用于监测和诊断再生医学治疗的效果。例如，利用合成生物学的技术构建基于细胞的传感器，用于检测特定生物标志物的变化，以评估治疗的效果和患者的反应。合成生物学与药物开发的协同：合成生物学的方法可用于加速药物开发过程，为再生医学治疗提供更多的药物选择。例如，利用合成生物学的技术构建高通量筛选平台，用于筛选潜在的再生医学治疗药物或药物组合。合成生物学与生物材料研究的结合：合成生物学的方法可用于设计和合成新型的生物材料，用于再生医学的治疗和修复。例如，利用合成生物学的技术构建具有特定功能的生物材料，如可编程的纳米颗粒/支架，用于控制细胞行为或组织再生。5结论合成生物学的方法在细胞工程和器官修复领域有广泛的应用，为再生医学提供了新的机遇和可能性。合成生物学的技术可将成体细胞重新编程为 iPSCs，并定向诱导分化为各种细胞类型并调控其再生能力，实现更有效的细胞工程和组织修复；CRISPR-Cas9 等基因编辑技术还可用于精确编辑细胞的基因组，以治疗遗传性疾病或促进器官修复；合成生物学的技术可用于设计和构建具有特定功能的人工器官和组织工程材料，用于替代损伤或疾病的组织。合成生物学与再生医学的跨学科合作，将有助于各项核心技术的进一步提升与创新，具体来说，高效的基因编辑和基因治疗技术将为再生医学提供更精准的治疗方案，快速的药物筛选平台将加速再生药物的开发；细胞工程技术的改进将实现体内细胞的可持续再生；合成生物传感器的应用将实现对细胞微环境的精确监测；合成细胞和体外器官工程等前沿技术的探索，将为再生医学提供更多的治疗选择和研究平台。综上所述，合成生物学与再生医学的紧密结合，必将推动再生医学事业的进一步发展。参考文献 1 CAMERON D E,BASHOR C J,COLLINS J J.A brief history of synthetic biology J.Nat Rev Microbiol,2014,12(5):381-390.2 ENDY D.Foundations for engineering biology J.Nature,2005,438(7067):449-453.3 EDGAR L,PU T,PORTER B,et al.Regenerative medicine,organ bioengineering and transplantation J.Br J Surg,2020,107(7):793-800.4 NIELSEN J,KEASLING J D.Engineering cellular metabolism J.Cell,2016,164(6):1185-1197.5 GIBSON D G,GLASS J I,LARTIGUE C,et al.Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome J.Science,2010,329(5987):52-56.6 RUDER W C,LU T,COLLINS J J.Synthetic biology moving into the clinic J.Science,2011,333(6047):1248-1252.7 SINGER A J,CLARK R A.Cutaneous 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