蚊子也能为抗癌做贡献！“自杀基因”引入肿瘤细胞，有效消除耐药性、释放毒素专杀癌细胞

Bringing medical advances from the lab to the clinic

关键词： 选择性基因驱动；肿瘤进化；药物抗性；癌症治疗 ； Nature Biotechnology

2024年7月11日 Nature 简报的一则推送引起我们关注，立即找到发表于 Nature Biotechnology 的原文，并推荐给各位同仁：

蚊子的 DNA 可以经过改造，使其包含“自杀基因” ， 该基因会扩散并引发蚊子数量骤减。受这项技术的启发，研究人员将两种基因引入癌细胞：一种基因最初会促进经过改造的细胞生长，而消除耐药性；另一种基因会释放毒素，杀死宿主细胞和周围的耐药癌细胞。这些“双开关选择基因驱动”可消除人类细胞系和小鼠中的肿瘤细胞。

癌症 作为全球主要的健康挑战之一，其治疗过程中的疗效往往受到肿瘤细胞对药物产生 抗性 的限制。这种抗性不仅限制了靶向药物的疗效，也使得癌症治疗的长期成功率受到影响。 肿瘤细胞的遗传异质性是导致药物抗性产生的关键因素之一。 在肿瘤发展的早期阶段，即便在治疗开始之前，肿瘤内部就可能已经存在对特定药物具有抗性的细胞亚群。这些抗性细胞亚群在药物选择压力下会逐渐增长，最终导致治疗失败。

传统的癌症治疗策略通常依赖于化疗或靶向治疗，这些治疗方法往往在治疗初期能够取得一定的疗效，但随着时间的推移，肿瘤细胞的抗性问题逐渐显现，使得治疗效果大打折扣。因此， 如何有效预防和逆转肿瘤细胞的药物抗性，是提高癌症治疗效果的关键所在 。

近年来，随着对肿瘤生物学和进化动力学的深入了解，科学家们开始探索利用肿瘤细胞自身的遗传异质性来开发新的治疗策略。其中， 基因驱动（gene drive） 技术提供了一种潜在的解决方案。 基因驱动是一种分子生物学工具，可以通过基因编辑技术在生物体内强制传播特定的遗传变异 。将这一概念应用于癌症治疗， 即通过设计特殊的基因回路，将肿瘤细胞的适应性优势与治疗性基因相结合，从而在肿瘤细胞群体中创造出一种选择压力，使得经过基因编辑的细胞在治疗过程中获得生存优势，并通过旁观者效应（bystander effect）清除周围的非工程化细胞，包括那些具有抗性的细胞。

2024年7月4日，来 自美国宾夕法尼亚州立大学的 Scott M. Leighow 等研究学者在 Nature Biotechnology 新闻专栏发表了 题为 Programming tumor evolution with selection gene drives to proactively combat drug resistance. 的文章【1】， 本研究提出了一种创新的癌症治疗策略-- 选择性基因驱动 。

• 本研究 通过构建和评估双开关选择性基因驱动，证明了其在癌症治疗中的潜力。

• 通过工程化诱导药物靶点类似物，研究者们展示了可控的Switch 1活性，并建 立了GDEPT和免疫版本的Switch 2基因的治疗功能和 旁观者杀伤效应 。

• 完整的双开关电路展示了 消除预存耐药性的能力 ，包括药物靶点内和整个基因组中复杂的遗传抗性库。

• 模型指导的开关参与在体内展示了强大的疗效，突出了利用进化原理而不是对抗它们的益处。

（如需原文，请加微信healsana获取，备注 20240704NB ）

🔷 选择性基因驱动系统的设计和功能验证 ：

研究者成功设计了包含Switch 1和Switch 2的双开关选择性基因驱动系统。Switch 1通过与小分子药物dimerizer结合，能够在药物存在下赋予肿瘤细胞抗性表型。实验数据显示，在dimerizer存在时，Switch 1细胞（S1vEGFRerl BaF3）在体外的生长速率显著增加，与理论模型预测一致。

🔷 体外药物剂量反应实验 ：

对Switch 1细胞进行了Erlotinib药物剂量反应实验。结果显示，在dimerizer激活下，Switch 1细胞对Erlotinib的敏感性降低，表现出抗药性，与野生型细胞相比，IC50值显著提高。

🔷 体内肿瘤模型的建立和基因驱动效果评估 ：

在NOD-SCID小鼠中建立了S1vEGFRerl BaF3细胞的肿瘤模型，通过皮下注射不同剂量的dimerizer，观察肿瘤生长情况。实验结果表明，随着dimerizer剂量的增加，肿瘤体积显著增大，证明了Switch 1在体内的抗肿瘤药物诱导的抗性表型。

🔷 旁观者效应的验证 ：

对Switch 2基因（S2vCyD）进行了旁观者效应的评估。在体外实验中，混合野生型和S2vCyD表达的BaF3细胞，加入5-FC处理后，观察到显著的旁观者杀伤效应，即使在低比例的S2vCyD细胞存在下，也能有效地抑制混合细胞群体的生长。

🔷 基因驱动系统对肿瘤异质性的控制 ：

利用EGFR变异库和全基因组CRISPR筛选，评估了基因驱动系统对肿瘤异质性的控制能力。实验结果显示，即使在高度异质性的肿瘤细胞群体中，基因驱动系统也能有效地消除抗性细胞，延长小鼠的生存时间。

🔷 治疗策略优化 ：

通过模型指导的治疗策略优化，发现在Switch 1和Switch 2治疗阶段之间存在重叠可以提高治疗效果。具体数据显示，在重叠治疗策略下，肿瘤体积增长速度显著降低，小鼠生存时间延长。

🔷 长期生存实验 ：

在长期生存实验中，将PC9细胞混合后移植到小鼠体内，进行基因驱动治疗。实验结果显示，与对照组相比，基因驱动治疗组的小鼠生存时间显著延长，且在实验结束时，11/12的基因驱动治疗组小鼠未检测到可触及的肿瘤负担。

这些研究结果表明， 选择性基因驱动系统是一种有效的癌症治疗策略，能够应对肿瘤的遗传异质性和药物抗性问题 ，为癌症治疗提供了一种新的理论和实践基础。

图1. 疾病进化的群体和基于代理的随机模型确立了基因驱动设计的标准

图2. 遗传开关的模块化设计展示了可诱导的适应性优势和共享的适应性成本

图3. 双开关选择性基因驱动展示了进化控制

图4. 选择性基因驱动对顺式和反式中的多种抗性形式具有鲁棒性

图5. 不同的分子设计可以在不同的环境中实现进化重编程

图6. 理论模型指导体内最佳治疗方案