馮晴晴，張?zhí)祯o，2，趙瀟，聶廣軍

（1 國家納米科學(xué)中心，中國科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100190；2 吉林大學(xué)藥學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

隨著納米技術(shù)高速發(fā)展，納米材料已經(jīng)滲透到包括工程學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)在內(nèi)的多個(gè)學(xué)科研究中［1］。納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～1000 nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。近些年，生物材料已經(jīng)進(jìn)入“納米技術(shù)”時(shí)代，納米生物材料研究成為材料學(xué)與生物學(xué)的連接橋梁，推動(dòng)了生物醫(yī)學(xué)原有領(lǐng)域的技術(shù)革新，如細(xì)胞/分子分離、疫苗/藥物遞送、體內(nèi)外成像檢測(cè)和組織工程再生等［2-6］。然而，目前的納米材料還是以化學(xué)材料為設(shè)計(jì)合成源頭，其生物應(yīng)用幾乎都集中在藥物遞送載體和成像探針領(lǐng)域；如何實(shí)現(xiàn)納米材料的合成理論和生物應(yīng)用突破，成為了該領(lǐng)域變革性發(fā)展的關(guān)鍵性科學(xué)問題，而合成生物學(xué)的出現(xiàn)為此提供了新的創(chuàng)新空間。

在前基因組時(shí)代，基因工程的研究方法主要限于分子克隆和重組基因表達(dá)技術(shù)。此時(shí)基因工程尚未配備必要的知識(shí)或工具來創(chuàng)建能夠顯示微生物中調(diào)控行為的多樣性和深度的生物系統(tǒng)。隨著20 世紀(jì)90 年代基因組學(xué)的革命和系統(tǒng)生物學(xué)的興起，為創(chuàng)建、控制和編程細(xì)菌或細(xì)胞的行為，“合成生物學(xué)”這一工程學(xué)領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生［7］。2000—2003 年是合成生物學(xué)發(fā)展起始階段，基因遺傳回路“雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)”（toggle switch）、“自激振蕩網(wǎng)絡(luò)”（oscillatory network）、基于群體感應(yīng)的人工細(xì)胞通訊系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用研究奠定了合成生物學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)［7-10］。2004—2008 年，合成生物學(xué)技術(shù)取得突破性進(jìn)展，新穎的基因元件和基因回路不斷出現(xiàn)，包括基于mRNA 系統(tǒng)的翻譯控制線路、基于AND 邏輯門的基因回路以及多細(xì)胞模式的群體感應(yīng)回路［11-13］。合成生物學(xué)的規(guī)模和范圍快速擴(kuò)展，合成生物技術(shù)與類異戊二烯生物合成研究的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了異源生產(chǎn)青蒿素前體；利用合成基因回路構(gòu)建工程細(xì)菌，實(shí)現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的細(xì)胞治療［14-15］。2009 年至今，合成生物學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用已經(jīng)滲透到生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等多個(gè)方面，帶動(dòng)了代謝工程、定向進(jìn)化、自動(dòng)化菌株工程、基因電路設(shè)計(jì)和基因組編輯等技術(shù)的發(fā)展［16］。DNA 合成、遺傳操作和生物傳感器的快速發(fā)展極大地提高了工程改造具有復(fù)雜功能的微生物的能力，對(duì)復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)作出響應(yīng)的智能微生物的出現(xiàn)也是令人興奮的成果之一。例如Tay 等［17］整合汞響應(yīng)性啟動(dòng)子和編碼吸收汞的自組裝細(xì)胞外蛋白納米纖維CsgA 的操縱子，設(shè)計(jì)出能夠檢測(cè)和隔離環(huán)境中有毒離子Hg2+的細(xì)菌。鐘超課題組［18］設(shè)計(jì)藍(lán)光感應(yīng)和血液感知的群體感應(yīng)基因環(huán)路，動(dòng)態(tài)控制細(xì)菌生物膜的定向生物修復(fù)。這類智能設(shè)計(jì)的基因回路主要包括傳感系統(tǒng)、處理系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)，通過巧妙設(shè)計(jì)來協(xié)助微生物自動(dòng)感應(yīng)外部環(huán)境或細(xì)胞內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，而無需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了合成生物工程菌在環(huán)境治理、工業(yè)生產(chǎn)、材料合成、智能治療等方面的創(chuàng)新應(yīng)用［19］。合成生物學(xué)是以工程化設(shè)計(jì)理念，對(duì)生物體進(jìn)行有目標(biāo)的設(shè)計(jì)、改造乃至重新合成。合成生物學(xué)的生物設(shè)計(jì)改造有兩種理念：“自上而下”策略是基于天然生物體的特性和功能，構(gòu)建具有可預(yù)測(cè)和可控制特性的遺傳、代謝或生物信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的合成組件，賦予生物體全新的功能；而“自下而上”策略則是獨(dú)立于現(xiàn)有的生物體功能，基于非天然組分設(shè)計(jì)并合成自然界中不存在的人工生物體［7，20］。然而，目前這兩種策略都還是以生物工程改造為主，如基因邏輯環(huán)路、特異性啟動(dòng)子、密碼子擴(kuò)展等，納米材料的引入將為合成生物學(xué)提供全新的設(shè)計(jì)理念和功能拓展。

最近，鐘超團(tuán)隊(duì)［21］綜合了合成生物學(xué)和材料科學(xué)的工程原理，總結(jié)了將生命系統(tǒng)重編程為具有新興功能和可編程功能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)材料的系列研究，并提出“材料合成生物學(xué)”這一概念。作為材料科學(xué)的研究前沿，納米材料與合成生物學(xué)的交叉也是科學(xué)發(fā)展的必然。一方面，利用合成生物學(xué)的技術(shù)獲取生物源納米材料，形成以生物技術(shù)驅(qū)動(dòng)的納米材料合成理論；另一方面，利用納米材料對(duì)生物體進(jìn)行功能強(qiáng)化或者生命活動(dòng)模擬，拓展合成生物學(xué)的工程化設(shè)計(jì)構(gòu)建理念［20-22］。在本文中，我們綜合合成生物學(xué)的生命體研究和納米材料的非生命體研究理念和技術(shù)進(jìn)展，提出“合成納米生物學(xué)”這一全新的學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)，并將該交叉研究領(lǐng)域細(xì)分為三類：①工程化的“仿生命體”，采用合成生物學(xué)策略改造宿主細(xì)胞或細(xì)菌進(jìn)而獲得具有特定生物功能的生物源納米材料，如細(xì)胞膜納米顆粒、外泌體、細(xì)菌外膜囊泡、病毒樣顆粒和細(xì)菌生物被膜等；②智能化的“半生命體”，通過納米材料對(duì)細(xì)菌或細(xì)胞進(jìn)行修飾，構(gòu)建納米人工雜合生物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)合成生物學(xué)無法滿足的功能強(qiáng)化，如細(xì)菌機(jī)器人、人工雜合嵌合抗原受體T 細(xì)胞（chimeric antigen receptor T-cell，CAR-T）、人工光合系統(tǒng)等；③仿生化的“類生命體”，以合成生物學(xué)理論為指導(dǎo)，以納米材料的理化性質(zhì)為基礎(chǔ)，合成組裝并模擬生命活動(dòng)，如納米酶、人工抗原遞呈細(xì)胞、定向運(yùn)動(dòng)納米機(jī)器人、DNA 納米機(jī)器人等。

1 工程化的“仿生命體”研究

“仿生命體”是指利用合成生物學(xué)的技術(shù)改造宿主細(xì)菌或細(xì)胞，經(jīng)過提取和純化獲得的無生命活動(dòng)但有特殊生物功能的生物源納米材料。它們繼承了生命體的部分功能特點(diǎn)，如高生物相容性、高體內(nèi)穩(wěn)定性等，同時(shí)借助合成生物學(xué)改造獲得全新功能，能夠更好地契合體內(nèi)環(huán)境和滿足實(shí)際需求，如病灶靶向性、表面生物活性分子展示等，使其更加適合充當(dāng)體內(nèi)藥物/疫苗靶向輸運(yùn)工具。本文將從細(xì)胞膜納米顆粒、外泌體、細(xì)菌外膜囊泡、細(xì)菌生物被膜、病毒樣顆粒（圖1）等方面介紹合成納米生物學(xué)中“仿生命體”研究的重要進(jìn)展。

圖1 通過合成納米生物學(xué)對(duì)“仿生命體”進(jìn)行工程化改造Fig.1 Engineering“pseudo-organism”through synthetic nanobiology

1.1 細(xì)胞膜納米顆粒

細(xì)胞膜納米顆粒是指通過納米技術(shù)將提取的細(xì)胞膜納米化，獲得由細(xì)胞膜包被的納米顆?；騿渭兊募?xì)胞膜納米顆粒。早在20 世紀(jì)60 年代，科學(xué)家們就已經(jīng)掌握了提取紅細(xì)胞膜——“血影”的方法［23］，但將細(xì)胞膜與納米技術(shù)結(jié)合則是在20 多年后才被報(bào)道出來的［24］；之后這一策略在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)并沒有得到發(fā)展。直到2011 年，張良方團(tuán)隊(duì)［25］和Merkel 團(tuán)隊(duì)［26］分別將紅細(xì)胞膜覆蓋在納米顆粒表面和微球表面，極大地延長(zhǎng)了被載藥物的半衰期，至此越來越多的細(xì)胞膜納米載體逐漸被開發(fā)出來，如能靶向炎癥部位的血小板膜納米顆粒、具有歸巢作用的腫瘤細(xì)胞膜納米顆粒、具有納米海綿效應(yīng)的中性粒細(xì)胞膜納米顆粒以及能夠刺激T 細(xì)胞成熟的樹突狀細(xì)胞膜納米顆粒等［27］。

隨著細(xì)胞膜納米顆粒的快速發(fā)展，自然界存在的天然細(xì)胞膜已經(jīng)不能完全滿足需求，而合成生物學(xué)的蓬勃發(fā)展則又為這一領(lǐng)域注入新鮮的血液。例如，顧臻團(tuán)隊(duì)［28］通過基因工程改造巨核細(xì)胞，使脫落下來的血小板膜表面表達(dá)PD-1 分子，使其在能靶向腫瘤輸運(yùn)藥物的同時(shí)還能抑制微環(huán)境中的免疫檢查點(diǎn)；周江兵團(tuán)隊(duì)［29］將腫瘤細(xì)胞與樹突狀細(xì)胞膜融合，內(nèi)部包載了載有免疫佐劑CpG 的聚乳酸-羥基乙酸共聚物［poly（lactic-coglycolic acid），PLGA］納米顆粒，構(gòu)建出一種能夠刺激特異性T細(xì)胞活化的腫瘤疫苗。除了腫瘤以外，細(xì)胞膜納米顆粒在其他疾病的治療上也表現(xiàn)出優(yōu)秀的效果，如表達(dá)有PD-L1 的血小板膜納米載體可以有效地維持胰腺β細(xì)胞生命和功能，治療早期Ⅰ型糖尿病［30］；表面表達(dá)α4β7 分子的T 細(xì)胞膜納米載體能夠特異性地黏附在炎癥腸道內(nèi)皮細(xì)胞表面，一方面能夠靶向輸運(yùn)藥物，一方面為腸道提供了一層保護(hù)膜，抑制了炎性腸病的發(fā)展［31］。綜上所述，以合成生物學(xué)的技術(shù)改造細(xì)胞，再通過納米技術(shù)將其細(xì)胞膜納米化，能夠構(gòu)建出具有特殊功能的細(xì)胞膜納米載體，大大推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。

1.2 外泌體

外泌體是細(xì)胞分泌的天然納米顆粒，由雙層磷脂層覆蓋，表面具有大量生物分子，因此具有良好的生物相容性和體內(nèi)穩(wěn)定性，是一種理想的天然藥物載體或生物功能調(diào)節(jié)劑［32-33］。然而，和細(xì)胞膜一樣，天然外泌體很多時(shí)候難以滿足我們的需求，因此通過基因工程改造的、具有特定功能或性狀的外泌體就獲得了研究者的廣泛關(guān)注。

功能化外泌體的研究主要集中在以下幾個(gè)方向：①改造外泌體直接用于生物功能調(diào)節(jié)，如利用基因工程技術(shù)使外泌體內(nèi)部含有IκB 突變體使其能夠抑制NF-κB 的過度激活，借助外泌體尺寸小能夠穿透胎盤屏障的特性，治療炎癥導(dǎo)致的自發(fā)性早產(chǎn)［34］；②外泌體作為疫苗載體，如改造腫瘤細(xì)胞分泌的外泌體，使其表面表達(dá)鏈霉親和素，再與生物素化的免疫佐劑CpG 孵育，構(gòu)建出能夠高效刺激腫瘤特異性免疫反應(yīng)的外泌體腫瘤疫苗［35］；③外泌體用于靶向運(yùn)輸藥物或生物大分子［36］，如本團(tuán)隊(duì)［37］構(gòu)建的表面表達(dá)有腫瘤靶向肽iRGD 的外泌體用于抗腫瘤藥物阿霉素的腫瘤靶向輸運(yùn)，Alvarez-Erviti 團(tuán)隊(duì)［38］構(gòu)建的表達(dá)有RVG 多肽的外泌體能夠?qū)崿F(xiàn)穿透血腦屏障和中樞神經(jīng)系統(tǒng)靶向輸運(yùn)BACE1 siRNA 從而治療阿爾茲海默病，以及巴塞爾大學(xué)研究人員開發(fā)的“mRNA 載帶-中樞神經(jīng)靶向-高效生產(chǎn)一體化”的外泌體用于治療帕金森病等［39］；④外泌體還能作為納米清道夫，如通過基因工程手段改造樹突狀細(xì)胞來源的外泌體，使其表面表達(dá)Fas 配體來中和掉T 細(xì)胞表面的Fas，抑制T 細(xì)胞對(duì)正常組織的攻擊，抑制自身免疫疾病以及遲發(fā)型超敏反應(yīng)［40］?？偟膩碚f，無論是作為藥物遞送的載體，還是充當(dāng)生物大分子的展示平臺(tái)，利用合成生物學(xué)手段改造的外泌體具有很強(qiáng)的可操作性和實(shí)用性。

1.3 細(xì)菌外膜囊泡

細(xì)菌外膜囊泡（outer membrane vesicles，OMV）主要是由革蘭氏陰性細(xì)菌外膜出泡產(chǎn)生的球形天然囊泡，富含大量來自于細(xì)菌的病原相關(guān)分子模式，如脂多糖、肽聚糖、蛋白、核酸等，因此能夠高效激活免疫系統(tǒng)，常被用作病原微生物疫苗或疫苗載體［41-44］。通過基因工程改造，將流感病毒、人乳頭狀瘤病毒、肺炎球菌、金黃色葡萄球菌、鮑氏不動(dòng)桿菌的抗原融合表達(dá)在大腸桿菌產(chǎn)生的OMV 中，能夠刺激機(jī)體產(chǎn)生針對(duì)這些病原微生物的特異性抗體，進(jìn)而起到有效預(yù)防的作用［45-50］。除了融合表達(dá)蛋白抗原，康奈爾大學(xué)的研究人員［51］通過合成生物學(xué)技術(shù)，將大腸桿菌表面的LPS中的O抗原多糖替換成目標(biāo)致病菌的O抗原多糖，實(shí)現(xiàn)基于OMV 的多糖抗原展示，刺激小鼠產(chǎn)生了針對(duì)目標(biāo)致病菌的抗體和抵抗力。

除了病原微生物領(lǐng)域，OMV 也常被用于腫瘤免疫治療。天然的OMV 具有免疫刺激作用，本身就具備一定的抗腫瘤活性，能夠刺激IFNγ 介導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)［52］；本團(tuán)隊(duì)［53］在此基礎(chǔ)上，在OMV表面融合表達(dá)了PD-1分子的胞外區(qū)，使其在有效刺激免疫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上還能夠抑制腫瘤細(xì)胞對(duì)免疫細(xì)胞的耗竭，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的抗腫瘤免疫效果。另外，本團(tuán)隊(duì)還利用基因工程和分子膠水技術(shù)，構(gòu)建了一種能夠快速展示腫瘤抗原的OMV 腫瘤疫苗平臺(tái)，只需要合成帶有標(biāo)簽的腫瘤抗原肽就能實(shí)現(xiàn)腫瘤疫苗的快速合成，這種“即插即用”的設(shè)計(jì)更加符合復(fù)雜多變的腫瘤抗原的臨床需求。

總的來說，由于OMV 本身具有免疫原性，使得它在疫苗載體方面獲得廣泛關(guān)注和應(yīng)用，但是目前我們對(duì)OMV 的結(jié)構(gòu)、成分的了解還不夠深入，仍需要進(jìn)一步的研究和探索才會(huì)使OMV 疫苗有機(jī)會(huì)應(yīng)用到臨床一線。

1.4 細(xì)菌生物被膜

細(xì)菌生物被膜（bacteria biofilm）是由細(xì)菌分泌的能包裹自身的多聚物基質(zhì)，主要成分有DNA、RNA、淀粉樣蛋白、多聚物基質(zhì)以及菌體本身，能將細(xì)菌黏附于物體表面，并具有幫助細(xì)菌在惡劣環(huán)境中存活的作用［54-56］。一般情況下，生物被膜的存在大多對(duì)人類不利，如生物被膜附著在醫(yī)療設(shè)備表面，將會(huì)引起嚴(yán)重的感染或死亡；生物被膜的存在也會(huì)導(dǎo)致牙菌斑的形成，進(jìn)而腐蝕牙齒。然而從材料角度來看，生物被膜是一種很好的生物黏附材料。大腸桿菌的生物被膜中主要起組裝黏附作用的是淀粉樣蛋白Curli，其主要亞基是CsgA 蛋白。作為一種單一蛋白質(zhì)，CsgA 蛋白具有組裝成淀粉樣納米纖維的能力，是基于生物被膜的黏附材料開發(fā)首選［57］。此外，枯草芽孢桿菌分泌的生物被膜也在近些年來被廣泛研究，與大腸桿菌不同，該生物被膜主要蛋白質(zhì)為TasA，具有可塑的黏彈性、溫和的抗菌性以及形成水-氣界面的傾向性，因此TasA 在生物材料領(lǐng)域中也具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值［58］。

鐘超團(tuán)隊(duì)［59］常年致力于該領(lǐng)域的研究，開發(fā)了多種基于生物被膜的生物黏附材料和體系，比如將CsgA 與藤壺和貽貝分泌的足絲黏蛋白融合表達(dá)，經(jīng)過大腸桿菌表達(dá)純化獲得了一種生物水下納米纖維黏合劑；在CsgA 上連接His 標(biāo)簽，并構(gòu)建藍(lán)光控制的蛋白表達(dá)系統(tǒng)，在納米顆粒表面修飾能夠結(jié)合His 標(biāo)簽的次氮基三乙酸基團(tuán)，通過控制藍(lán)光的照射面積和時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)納米顆?？煽刈越M裝［60］；構(gòu)建具有血液響應(yīng)性的基因調(diào)控線路，控制“CsgA-足絲黏蛋白”的表達(dá)，帶有這一基因線路的大腸桿菌能夠準(zhǔn)確識(shí)別腸道出血點(diǎn)，并在原位分泌“活膠水”，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的修復(fù)，為消化道出血的治療提供新策略［18］。大腸桿菌Curli 系統(tǒng)蛋白分泌能力不足（僅限于分泌短肽或包含最多59 個(gè)氨基酸的蛋白結(jié)構(gòu)域）及安全性問題，從而限制了其生物被膜活體材料的功能范圍。而枯草芽孢桿菌具有生物安全性和強(qiáng)大的蛋白分泌能力，利用合成生物學(xué)技術(shù)將不同功能的蛋白或結(jié)構(gòu)域與TasA 融合表達(dá)并分泌，在胞外形成功能性納米纖維，有潛力作為生物材料、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境能源、海洋工業(yè)等領(lǐng)域的活體生物材料制造平臺(tái)［55］?？傊?，通過精準(zhǔn)的合成生物學(xué)設(shè)計(jì)，就能夠?qū)⒃居泻Φ纳锉荒じ脑鞛楦咝У幕谔烊患{米纖維的生物黏附體系，有潛力在生物醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

1.5 病毒樣顆粒

病毒樣顆粒（virus like particle，VLP）是通過基因工程重組表達(dá)的病毒蛋白經(jīng)過自組裝形成的類病毒復(fù)合物，其內(nèi)部不含有病毒核酸，不可自主復(fù)制，因此能夠引起類似病毒的生物學(xué)反應(yīng)而沒有傳染性/致病性［61-62］。VLP 表面具有很多重復(fù)的蛋白結(jié)構(gòu)，能夠與B細(xì)胞表面的受體產(chǎn)生多價(jià)態(tài)結(jié)合［62］，同時(shí)也可以被抗原遞呈細(xì)胞攝取處理并激活T 細(xì)胞，因此VLP 常常被設(shè)計(jì)成疫苗載體，用于疾病的預(yù)防和治療［63］。例如，華盛頓大學(xué)的King 團(tuán)隊(duì)［64-66］通過計(jì)算機(jī)擬合構(gòu)建了一種能夠控制表面蛋白數(shù)量的人工VLP，利用融合表達(dá)的方式在這種VLP 表面展示了多種病毒抗原，如新冠病毒、艾滋病毒、呼吸道合胞病毒等，有效增加了抗原拷貝數(shù)，使其具有更強(qiáng)的免疫原性；牛津大學(xué)的Howarth 團(tuán)隊(duì)［67］則考慮到融合表達(dá)有外源抗原的VLP 可能會(huì)影響其自組裝過程，因此設(shè)計(jì)了一種與“即插即用”O(jiān)MV 疫苗載體類似的VLP載體，在自組裝完成后利用分子膠水來抓取抗原；麻省理工學(xué)院的Kiessling 團(tuán)隊(duì)通過在噬菌體Qβ 表面修飾了一層甘露糖配體芳基甘露糖苷，使其能夠通過樹突狀細(xì)胞表面的C型凝集素受體誘導(dǎo)其成熟和炎癥因子釋放，進(jìn)而介導(dǎo)1 型輔助型T 細(xì)胞免疫應(yīng)答，說明VLP 在細(xì)胞免疫過程中同樣具有非常好的應(yīng)用前景［63］；通過在VLP 表面融合表達(dá)修飾一種來自賈第蟲的變異特異性表面蛋白，能夠抵擋小腸消化液水解，以此構(gòu)建一種口服VLP 疫苗，在流感病毒的預(yù)防中展現(xiàn)出良好的效果［68］。

除了疫苗載體應(yīng)用外，由于VLP 不含病毒核酸，其內(nèi)部會(huì)存在一定的空間，很多研究也將VLP 作為藥物或核酸等生物大分子的遞送載體。如蔡宇伽團(tuán)隊(duì)［69］利用VLP 構(gòu)建了一種遞送mRNA載體，輸運(yùn)Cas9 mRNA 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶細(xì)胞的基因編輯，克服腺相關(guān)病毒等載體運(yùn)載能力小的問題，在黃斑性病變的小鼠模型中取得了敲除40%靶基因的同時(shí)幾乎沒有脫靶效應(yīng)產(chǎn)生的治療效果。

總的來說，由于結(jié)構(gòu)可控和成分明確，VLP是目前最具開發(fā)前景的疫苗載體之一；同時(shí)通過人為改造，還可以將其轉(zhuǎn)化為遞送載體，是一種實(shí)用性特別強(qiáng)、靈活性特別高的“仿生命體”。

2 智能化的“半生命體”研究

隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，通過基因工程改造并利用細(xì)菌、細(xì)胞等生命體治療疾病，是目前的研究熱點(diǎn)，特別是利用基因改造的T 細(xì)胞（如CAR-T）治療腫瘤，已經(jīng)在臨床上大獲成功。傳統(tǒng)的合成生物學(xué)主要集中在基因邏輯環(huán)路的構(gòu)建，使工程化細(xì)菌和細(xì)胞能夠?qū)崿F(xiàn)活性分子的可控合成和釋放。然而，一些特殊功能如體內(nèi)示蹤、實(shí)時(shí)操控等，則無法實(shí)現(xiàn)。因此，通過納米材料對(duì)細(xì)菌或細(xì)胞進(jìn)行修飾，構(gòu)建納米人工雜合生物系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)合成生物學(xué)無法滿足的功能強(qiáng)化，這些由生命體和納米材料組裝的“半生命體”代表著細(xì)菌或細(xì)胞治療的未來發(fā)展方向之一。

2.1 細(xì)菌機(jī)器人

2.1.1 細(xì)菌療法的發(fā)展與應(yīng)用

早在19 世紀(jì)，人們就發(fā)現(xiàn)感染梭菌或丹毒的腫瘤患者會(huì)出現(xiàn)自發(fā)性的腫瘤消減［70-72］。隨后在20世紀(jì)初，腫瘤免疫治療先驅(qū)Coley醫(yī)生將熱滅活鏈球菌和沙雷氏菌制備成“科利毒素”，在多種腫瘤患者中明顯改善了病情［72］。20 世紀(jì)70 年代，卡介苗芽孢桿菌被FDA 批準(zhǔn)用于治療淺表非肌肉浸潤(rùn)性膀胱癌。盡管經(jīng)過了長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)的探索，卡介苗的抗腫瘤療效也得到了廣泛的關(guān)注和認(rèn)可，但是細(xì)菌感染和毒性仍然是細(xì)菌療法的主要障礙［73-74］。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，減毒沙門氏菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌逐漸被開發(fā)出來并在腫瘤治療研究中發(fā)揮重要作用［74］。進(jìn)入21 世紀(jì)，納米技術(shù)進(jìn)展迅速，納米材料與細(xì)菌療法的交叉研究逐漸嶄露頭角：結(jié)合合成生物學(xué)的生物模塊改造和納米材料的化學(xué)元件修飾，構(gòu)建智能型“納米雜合細(xì)菌”，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)、代謝和活性分子合成及控釋等行為。

由于腫瘤局部的缺氧環(huán)境和免疫抑制，細(xì)菌在腫瘤組織內(nèi)的選擇性定殖決定了細(xì)菌作為靶向性“抗癌藥”或藥物載體的潛力［75］。完美的癌癥療法可以想象為一個(gè)可以執(zhí)行多項(xiàng)功能的“機(jī)器人”：靶向腫瘤、產(chǎn)生細(xì)胞毒性分子、自我推進(jìn)、對(duì)觸發(fā)信號(hào)做出反應(yīng)、感知局部環(huán)境、產(chǎn)生外部可檢測(cè)的信號(hào)。細(xì)菌具有執(zhí)行這些功能的生物學(xué)機(jī)制，可作為癌癥治療“機(jī)器人”［75］。相比被動(dòng)療法（化療和放療）對(duì)腫瘤組織的低選擇性和滲透性，微小的智能化“細(xì)菌機(jī)器人”可以特異性地靶向腫瘤組織，滲透到腫瘤內(nèi)部區(qū)域，并且感應(yīng)腫瘤微環(huán)境內(nèi)部生化或外部物理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)的腫瘤治療［70，75］。目前，這種“細(xì)菌-納米材料”雜合系統(tǒng)的應(yīng)用研究已經(jīng)覆蓋多個(gè)方向，包括免疫治療、光控細(xì)菌代謝治療、光熱治療、光動(dòng)力治療、藥物遞送與控釋以及生物成像等［76-83］。根據(jù)細(xì)菌機(jī)器人的響應(yīng)控制類型，可大概分為光響應(yīng)型、磁驅(qū)動(dòng)型、超聲感應(yīng)型等［76-83］（圖2）。

圖2 細(xì)菌機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用Fig.2 Design and applications of bacterial robots

2.1.2 光響應(yīng)型細(xì)菌機(jī)器人

目前，細(xì)菌的光響應(yīng)能力一般是通過含有光控啟動(dòng)子的基因環(huán)路或納米光敏材料修飾實(shí)現(xiàn)［70，84］。王漢杰團(tuán)隊(duì)［76］利用響應(yīng)藍(lán)光的啟動(dòng)子質(zhì)粒對(duì)細(xì)菌進(jìn)行基因工程改造，實(shí)現(xiàn)TGF-β1 蛋白和IFN-γ蛋白的光控表達(dá)；隨后通過殼聚糖-海藻酸鈉交聯(lián)凝膠將稀土上轉(zhuǎn)換納米材料與工程菌包裹后口服遞送至腸道，稀土上轉(zhuǎn)換納米材料將近紅外光轉(zhuǎn)換為局部有效的藍(lán)光，避免了藍(lán)光組織穿透性差、神經(jīng)毒性強(qiáng)的問題；這種“細(xì)菌-納米材料”雜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從體外控制腸道內(nèi)細(xì)菌行為，能夠有效地抑制小鼠潰瘍性結(jié)腸炎和腫瘤生長(zhǎng)。張先正團(tuán)隊(duì)［77］則將碳量子點(diǎn)摻雜的氮化碳納米粒子修飾在細(xì)菌表面，同時(shí)通過基因工程改造使細(xì)菌表達(dá)一氧化氮合成酶，實(shí)現(xiàn)了在光照條件下納米粒子光電反應(yīng)產(chǎn)生的電子進(jìn)入細(xì)菌發(fā)生內(nèi)源性

NO3

-還原和一氧化氮生成，最終引起腫瘤細(xì)胞凋亡；此項(xiàng)研究借助納米材料的修飾實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)菌代謝的精準(zhǔn)調(diào)控。此外，蔡林濤團(tuán)隊(duì)［78］通過將負(fù)載光敏劑吲哚菁綠的納米顆粒修飾在減毒沙門氏菌表面，借助于細(xì)菌本身的腫瘤靶向性，開發(fā)出了可用于腫瘤局部光熱治療和光動(dòng)力治療的細(xì)菌機(jī)器人。

2.1.3 磁驅(qū)動(dòng)型細(xì)菌機(jī)器人

趨磁性是構(gòu)建磁驅(qū)動(dòng)型細(xì)菌機(jī)器人的關(guān)鍵，目前主要有三種策略獲得帶有趨磁性的細(xì)菌，分別是天然趨磁細(xì)菌、合成生物學(xué)改造以及磁性納米材料修飾。

海洋趨磁細(xì)菌可在細(xì)胞內(nèi)形成磁性納米顆粒（又稱“磁小體”），對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生趨磁響應(yīng)，具有天然的磁敏性，因此常被研究者用于磁驅(qū)動(dòng)型細(xì)菌機(jī)器人的主體。Martel 團(tuán)隊(duì)［85］利用趨磁細(xì)菌MC-1，在磁場(chǎng)引導(dǎo)下菌群通過“磁氣浮作用”遷移至低氧區(qū)域，將表面修飾的載有藥物的納米脂質(zhì)體轉(zhuǎn)運(yùn)到腫瘤區(qū)域。蔡林濤團(tuán)隊(duì)［80］以海洋趨磁螺菌AMB-1 作為主體，通過邁克爾加成反應(yīng)將負(fù)載ICG 的納米顆粒偶聯(lián)在細(xì)菌表面，構(gòu)建一種順序性磁驅(qū)動(dòng)和光觸發(fā)的細(xì)菌機(jī)器人；通過磁共振和熒光成像可控制和跟蹤監(jiān)測(cè)其在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路線，在腫瘤部位通過激光照射可實(shí)現(xiàn)光熱治療，為實(shí)現(xiàn)腫瘤精準(zhǔn)治療開辟了新途徑。

除了天然趨磁細(xì)菌外，利用合成生物學(xué)的基因工程技術(shù)改造細(xì)菌，使其細(xì)胞內(nèi)表達(dá)鐵存儲(chǔ)蛋白或鐵結(jié)合蛋白也可以用來磁化天然非磁性細(xì)菌［86］。Gueroui 團(tuán)隊(duì)［87］利用合成生物學(xué)技術(shù)在大腸桿菌內(nèi)表達(dá)鐵儲(chǔ)存蛋白，然后將細(xì)菌培養(yǎng)在富含鐵的培養(yǎng)基，經(jīng)生物礦化后在細(xì)菌內(nèi)形成富含鐵、氧、磷的無定形氧化鐵礦物質(zhì)。這種磁響應(yīng)大腸桿菌可通過細(xì)胞分裂傳給子代，具有作為磁驅(qū)動(dòng)型細(xì)菌機(jī)器人的潛力。

趨磁細(xì)菌的磁敏性歸因于胞內(nèi)合成的“磁小體”；受此啟發(fā)，新型的磁驅(qū)動(dòng)型生物雜合系統(tǒng)可通過偶聯(lián)磁性納米材料來實(shí)現(xiàn)［87］。Sitti 團(tuán)隊(duì)［81］將嵌合有磁性納米材料和阿霉素的聚電解質(zhì)多層微粒附著在大腸桿菌表面，在磁力驅(qū)動(dòng)作用下，這種磁驅(qū)動(dòng)型微納生物雜合系統(tǒng)可快速地將阿霉素輸運(yùn)至腫瘤部位。張立團(tuán)隊(duì)［88］將磁性納米材料修飾在螺旋微藻的表面，在外部磁場(chǎng)控制下可靶向運(yùn)動(dòng)至深層組織；微藻內(nèi)含有的葉綠素具有熒光特性，無需修飾即可用于體內(nèi)熒光成像和遠(yuǎn)程診斷感應(yīng)。無獨(dú)有偶，周民團(tuán)隊(duì)［82］同樣將磁性材料修飾在微藻表面，實(shí)現(xiàn)磁驅(qū)動(dòng)型腫瘤靶向，更重要的是微藻中葉綠體的光合作用和光敏特性能夠增強(qiáng)放療的治療效果和實(shí)現(xiàn)光動(dòng)力協(xié)同治療?？傊?，利用磁性納米材料對(duì)非趨磁細(xì)菌進(jìn)行磁動(dòng)力改造的策略，讓研究不再局限于天然趨磁細(xì)菌，增加了可選擇性。

2.1.4 超聲感應(yīng)型細(xì)菌機(jī)器人

相比于光學(xué)、磁共振和核醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，超聲成像領(lǐng)域一直缺乏有效的納米尺度造影劑，限制了超聲成像的發(fā)展［89］。2014年，Shapiro團(tuán)隊(duì)［90］發(fā)現(xiàn)某些水下光合生物體（如魚腥藻）中會(huì)表達(dá)一種具有充氣納米結(jié)構(gòu)的蛋白，作為它們調(diào)節(jié)浮力的一種手段；這種納米氣體囊泡可以產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲對(duì)比度，適合作為超聲成像劑。在2019年，Shapiro 團(tuán)隊(duì)［83］通過基因重組技術(shù)，優(yōu)化并整合編碼氣體囊泡的工程基因簇到大腸桿菌和沙門氏菌的基因組中，構(gòu)建了能產(chǎn)生納米氣囊的工程菌株。研究發(fā)現(xiàn)這種工程菌能夠以低于10-5g/cm3的體積密度、小于100 μm 的分辨率進(jìn)行無創(chuàng)超聲成像，且檢測(cè)深度超過10 cm，能在胃腸道和腫瘤中進(jìn)行定位成像。他們的研究創(chuàng)造性地發(fā)展了一種能夠無創(chuàng)、準(zhǔn)確、可實(shí)時(shí)監(jiān)控細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，為細(xì)菌療法在胃腸區(qū)及腫瘤區(qū)的精準(zhǔn)控制和治療診斷提供了基礎(chǔ)。未來，這種工程化的聲感探測(cè)器有潛力深入胃腸道來監(jiān)測(cè)胃腸道的生理環(huán)境與腸道菌群的動(dòng)態(tài)變化，成為胃腸疾病的診斷工具。

2.2 人工雜合CAR-T

2.2.1 CAR-T療法的發(fā)展與挑戰(zhàn)

腫瘤細(xì)胞膜上的主要組織相容性復(fù)合體1（major histocompatibility complex-Ⅰ， MHC-Ⅰ）缺失及其與內(nèi)源性T細(xì)胞受體之間的低親和力是阻礙免疫治療發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題［91］。利用CAR 基因?qū) 細(xì)胞進(jìn)行基因工程改造，修飾后的T 細(xì)胞能夠產(chǎn)生不依賴于MHC-Ⅰ的腫瘤細(xì)胞識(shí)別和殺傷，在血液腫瘤的臨床治療中展現(xiàn)出出色的抗腫瘤能力［92］。目前，CAR-T 療法研究主要集中在CAR 基因結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，比如融合有共刺激結(jié)構(gòu)域的第二、三代CAR-T增強(qiáng)抗腫瘤效果，表達(dá)自殺基因的CAR-T 實(shí)現(xiàn)體內(nèi)可控，具有識(shí)別邏輯門的CAR-T能夠提高腫瘤特異性等［93-94］。然而，對(duì)實(shí)體瘤治療效果不佳是CAR-T 療法面臨的主要問題［95］。與血液腫瘤不同，實(shí)體瘤具有復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境，妨礙殺傷性T細(xì)胞進(jìn)入腫瘤區(qū)域，同時(shí)抑制腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞的活化，這些免疫抑制效應(yīng)明顯影響了CAR-T 治療效果［96］。因此，亟需開發(fā)新的方法來完善和增強(qiáng)CAR-T 療法以協(xié)助治療實(shí)體瘤；借助納米技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用功能納米材料來輔助CART 療法，構(gòu)建人工雜合CAR-T 在實(shí)體瘤治療的研究已經(jīng)取得初步成效（圖3）。

圖3 利用納米技術(shù)構(gòu)建人工雜合CAR-T的不同策略Fig.3 Multiple strategies for construction of artificial hybrid CAR-T using nanotechnology

2.2.2 人工雜合T細(xì)胞

為克服傳統(tǒng)CAR-T 療法的局限，研究者將具有靶向、示蹤、控制、調(diào)節(jié)等不同功能納米材料結(jié)合到T細(xì)胞上（“背包”系統(tǒng)）。2010年，Irvine團(tuán)隊(duì)［97］將載有細(xì)胞因子的納米顆粒通過化學(xué)偶聯(lián)在CAR-T 細(xì)胞膜上，通過細(xì)胞因子的“自分泌”刺激增強(qiáng)了CAR-T 的治療效果；隨后在2018 年，該團(tuán)隊(duì)［98］開發(fā)一種新型的T 細(xì)胞受體響應(yīng)型的納米凝膠，“打包”大量細(xì)胞因子并結(jié)合在CAR-T細(xì)胞膜上，在CAR-T 細(xì)胞識(shí)別腫瘤細(xì)胞后才開始釋放藥物，增強(qiáng)了腫瘤特異性和對(duì)實(shí)體瘤的治療效果，減少了脫靶效應(yīng)引起的毒副作用。

采用微納生物材料裝載CAR-T 的策略能夠?qū)崿F(xiàn)CAR-T 在腫瘤局部的持續(xù)存在和腫瘤殺傷。Stephan團(tuán)隊(duì)［96］將膠原模擬肽整合到聚合藻酸鈉的大孔支架中作為CAR-T 傳遞和釋放平臺(tái)，植入在腫瘤區(qū)域附近或腫瘤切除部位，有效協(xié)助了CART在腫瘤局部的穩(wěn)定擴(kuò)增和持續(xù)釋放，有效抑制了卵巢癌的生長(zhǎng)和乳腺癌切除后的復(fù)發(fā)。

單一的CAR-T 療法對(duì)實(shí)體瘤的療效依然有限，通過聯(lián)合化療、光熱治療、代謝調(diào)控或其他免疫治療能夠產(chǎn)生協(xié)同治療效應(yīng)。張燦團(tuán)隊(duì)［99］采用脂質(zhì)插入技術(shù)將脂質(zhì)與脂質(zhì)代謝調(diào)節(jié)藥物阿伐麥布通過點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)偶聯(lián)到CAR-T 細(xì)胞上實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)體瘤的聯(lián)合治療。顧臻團(tuán)隊(duì)［100］將光熱治療與CAR-T 治療相結(jié)合，局部注射載帶光敏劑ICG 的PLGA 納米粒子于腫瘤部位，通過光熱治療促進(jìn)CAR-T 在實(shí)體瘤內(nèi)的富集與激活，增強(qiáng)了腫瘤治療效果。Dong 團(tuán)隊(duì)［101］等利用熒光性載帶阿霉素的納米顆粒和IL-13對(duì)CAR-T進(jìn)行修飾，提高了其對(duì)腦腫瘤的靶向性并實(shí)現(xiàn)了協(xié)同治療。此外，謝海燕團(tuán)隊(duì)［102］在效應(yīng)T 細(xì)胞上結(jié)合響應(yīng)性PD-1 抗體和磁性納米簇，在外界磁場(chǎng)引導(dǎo)下可將T細(xì)胞募集到腫瘤部位，同時(shí)在微酸腫瘤微環(huán)境中PD-1 抗體可以響應(yīng)性釋放，和T細(xì)胞一起發(fā)揮協(xié)同腫瘤殺傷效果。這一研究表明聯(lián)合CAR-T 療法和免疫檢查點(diǎn)抑制劑治療這兩大核心技術(shù)可以提高對(duì)實(shí)體瘤的治療效果。

體內(nèi)細(xì)胞追蹤技術(shù)可以幫助我們更好地了解CAR-T 細(xì)胞的體內(nèi)分布、局部浸潤(rùn)、持久性和治療功效等。Aras團(tuán)隊(duì)［103］開發(fā)了一種基于雙模式正電子發(fā)射斷層掃描/近紅外熒光的人工雜合CAR-T成像平臺(tái)；采用89Zr和含近紅外熒光成分的二氧化硅納米顆粒對(duì)CAR-T 進(jìn)行標(biāo)記，利用雙模式正電子發(fā)射斷層掃描/近紅外熒光成像實(shí)現(xiàn)了CAR-T 的體內(nèi)生物分布監(jiān)測(cè)，為評(píng)估CAR-T 療法在實(shí)體瘤中的治療模式提供指導(dǎo)。

2.3 人工光合系統(tǒng)

人工光合作用，是模擬自然界中通過光合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和利用的光催化過程，是應(yīng)對(duì)全球能源挑戰(zhàn)的重要途徑［104］。楊培東團(tuán)隊(duì)［105］基于無機(jī)半導(dǎo)體納米材料的光捕獲性能及生物有機(jī)體的生物催化作用，構(gòu)建光合半導(dǎo)體生物雜合系統(tǒng)和全細(xì)胞光敏化體系（圖4），實(shí)現(xiàn)了太陽能燃料和太陽能化學(xué)品的高效生產(chǎn)。

圖4 人工光合系統(tǒng)Fig.4 Artificial photosynthetic system;

2015 年，楊培東團(tuán)隊(duì)［106］將產(chǎn)乙酸菌-卵形鏈球菌（Sporomusa ovata）裝載到具有光捕獲能力半導(dǎo)體納米線（硅和二氧化鈦光敏納米線）的光電化學(xué)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了微生物的電合成。高表面積的納米線陣列可捕獲光能，納米線電極產(chǎn)生局部厭氧環(huán)境可維持卵形鏈球菌的生存，將CO2轉(zhuǎn)化為乙酸。與此相似，利用具有H2催化作用的鉑基和鎳基作為陰性電極與甲烷八疊球菌（Methanosarcina barkeri）組合，可將CO2轉(zhuǎn)化為甲烷［107］；利用H2催化劑的鈷基材料與基因工程富營養(yǎng)的富養(yǎng)小球藻（Ralstonia eutroph，后更名為Cupriavidus necator）結(jié)合使用，可用CO2來生產(chǎn)聚羥基丁酸酯（polyhydroxybutyrate，PHB）和雜醇［108］。總之，這套光合半導(dǎo)體生物雜合催化系統(tǒng)的人工光合效果可以把CO2經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成各式各樣的化學(xué)品。

在進(jìn)行無機(jī)陰極材料與細(xì)菌之間的界面研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，陰極附近pH 的局部變化、電極中浸出有毒金屬以及產(chǎn)生ROS 影響了細(xì)菌的生存［105］。為了對(duì)人工光合系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，楊培東團(tuán)隊(duì)受天然的自養(yǎng)微生物（藍(lán)細(xì)菌、固氮菌等）的光捕獲和CO2固定作用的啟發(fā)，將非光合作用的細(xì)菌改造成可以進(jìn)行光合作用的系統(tǒng)，如利用光吸收性硫化鎘（CdS）納米顆粒修飾在產(chǎn)生乙酸的細(xì)菌Moorella thermoacetica的表面，光線照射時(shí)，CdS 納米粒子被激發(fā)后會(huì)釋放出電子，然后將這些電子送入細(xì)菌體內(nèi)進(jìn)而將CO2還原成乙酸［109］。此外，CdS 納米粒子可光敏化紅假單胞菌（Rhodopseudomas palustris）和反硝化硫桿菌（Thiobacillus denitrificans）分別生產(chǎn)C2+化學(xué)物質(zhì)和N2O［110-111］。除了CdS 外，Au 納米簇、磷化銦等也可實(shí)現(xiàn)不同細(xì)胞的自身光敏化來生產(chǎn)乙酸、聚羥基丁酸酯、甲酸等多種化學(xué)品［112，105］。相較于半導(dǎo)體生物雜化體系，全細(xì)胞光敏化體系克服了無機(jī)半導(dǎo)體材料對(duì)細(xì)菌的生存影響；與分離的細(xì)胞成分（藍(lán)細(xì)菌類囊體膜、固氮酶）和納米粒子的直接組合的系統(tǒng)比，全細(xì)胞光敏化體系具有更好的穩(wěn)定性和持久性［105］。未來，利用全細(xì)胞光敏體系有望實(shí)現(xiàn)太陽能到高價(jià)值燃料和化學(xué)品的轉(zhuǎn)化，緩解全球能源危機(jī)。

3 仿生化的“類生命體”研究

一般認(rèn)為，生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者是蛋白質(zhì)，以及其他生物大分子如核酸、多糖等。近些年來，人們發(fā)現(xiàn)一些特殊的納米材料具有類似于這些生物大分子的生物活性，如納米酶；通過巧妙的設(shè)計(jì)和組裝，特殊的納米組裝體能夠模擬體內(nèi)某些生命活動(dòng)，如人工抗原遞呈細(xì)胞（artificial antigen presenting cells，aAPC）、定向運(yùn)動(dòng)納米機(jī)器人和DNA 納米機(jī)器人等；這些由納米材料構(gòu)成的仿生化“類生命體”極大地拓展了人們對(duì)于人工合成生物的認(rèn)識(shí)，在未來的合成生物學(xué)研究中具有重要的應(yīng)用潛力（圖5）。

圖5 基于納米材料模擬生命活動(dòng)的“類生命體”Fig.5 The“organismoid”research about simulation of life activity based on nanomaterials

3.1 納米酶

2007年，閻錫蘊(yùn)團(tuán)隊(duì)［113］首次報(bào)道了鐵磁性納米顆粒顯示出和辣根過氧化物酶相似的催化功效。此后，多種具有酶樣活性的納米材料被鑒定和報(bào)道；于是閻錫蘊(yùn)等［114］用“Nanozyme”（納米酶）一詞來指代這些納米材料。與天然酶相似，納米酶在生理?xiàng)l件下遵循酶動(dòng)力學(xué)和相關(guān)機(jī)制，同時(shí)又具有更高的穩(wěn)定性和多功能性，成本也相對(duì)較低，因此被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)研究中，包括免疫測(cè)定、生物傳感器、抗菌試劑、抗腫瘤治療等［115-116］。例如，閻錫蘊(yùn)團(tuán)隊(duì)［114］基于氮摻雜的多孔碳納米球開發(fā)的一種具有氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶四種酶活性的多功能納米酶，經(jīng)鐵蛋白引導(dǎo)至溶酶體中，以腫瘤特異性方式增強(qiáng)活性氧的產(chǎn)生來實(shí)現(xiàn)腫瘤治療。該團(tuán)隊(duì)［117］還首次設(shè)計(jì)合成了pH 響應(yīng)型的可生物降解的海膽狀氧化鉬納米酶，可通過級(jí)聯(lián)催化反應(yīng)在腫瘤微環(huán)境中選擇性地發(fā)揮治療活性，而不損傷正常組織。重組人鐵蛋白的蛋白殼和Fe3O4納米顆粒組成的鐵蛋白納米酶能特異性靶向血腦屏障上皮，并清除羥自由基和過氧化氫，以減輕寄生蟲誘導(dǎo)的血腦屏障損傷［118］?；阡\基沸石-咪唑啉骨架衍生的碳納米材料可以用作高效的單原子過氧化物酶，對(duì)假單胞菌的抑制作用高達(dá)99.87%，并有效促進(jìn)傷口愈合［119］。以上研究表明，整合固有的納米材料性質(zhì)和酶的催化特性來構(gòu)建的一種“類生命體”——納米酶，為生物醫(yī)學(xué)的診斷治療提供了新的工具。

3.2 aAPC

抗原遞呈細(xì)胞（antigen presenting cells，APC）通過對(duì)腫瘤抗原和共刺激信號(hào)的有效遞呈，能夠刺激腫瘤抗原特異性T細(xì)胞的激活，誘導(dǎo)抗腫瘤免疫反應(yīng)。然而利用天然APC 進(jìn)行治療既昂貴又費(fèi)時(shí)，并且在臨床試驗(yàn)中表現(xiàn)出不穩(wěn)定的結(jié)果。因此，研究人員開發(fā)了基于納米材料的aAPC 作為體內(nèi)外誘導(dǎo)腫瘤特異性T細(xì)胞的替代方案［120］。

MHC 和共刺激分子CD80/CD86 的存在、細(xì)胞因子的有效供應(yīng)、適當(dāng)?shù)纳镂锢硖卣魇菢?gòu)建aAPC 的關(guān)鍵因素［121］。Schneck 團(tuán)隊(duì)［122-123］開發(fā)了多種納米材料作為aAPC 的支架，如鐵-右旋糖酐納米顆粒和量子點(diǎn)納米晶體等，通過在其表面修飾MHC-Ⅰ和共刺激分子，在小鼠體內(nèi)有效誘導(dǎo)了抗原特異性T 細(xì)胞激活和腫瘤抑制。Mooney 團(tuán)隊(duì)［124-125］則選擇以脂質(zhì)雙分子層覆蓋的介孔二氧化硅微棒為核心，在微棒中載帶細(xì)胞因子IL-2 促進(jìn)T 細(xì)胞增殖，脂質(zhì)體表面修飾MHC-Ⅰ和共刺激分子以激活T 細(xì)胞，有效改善了稀有T 細(xì)胞亞群的抗原特異性富集。

此外，細(xì)胞膜涂層納米技術(shù)吸納了供體細(xì)胞的某些獨(dú)特特性，仿生體系能夠發(fā)揮供體細(xì)胞的功能而不受細(xì)胞結(jié)構(gòu)、大小和生存力的限制，也常被用來構(gòu)建aAPC。利用白細(xì)胞膜包裹磁性納米簇，然后膜外偶聯(lián)修飾MHC-I 和共刺激分子，這種體系可作為通用的aAPC，一方面促進(jìn)了抗原特異性T 細(xì)胞的擴(kuò)增和活化，另一方面通過磁場(chǎng)控制能夠有效地將T 細(xì)胞引導(dǎo)至腫瘤組織，并經(jīng)磁共振成像視覺化［126］。將樹突狀細(xì)胞的細(xì)胞膜包覆到載帶IL-2 的PLGA 聚合物上，開發(fā)了具有核殼結(jié)構(gòu)的仿生樹突狀細(xì)胞；在體內(nèi)和體外研究中仿生樹突狀細(xì)胞均能增強(qiáng)T 細(xì)胞活化，對(duì)小鼠卵巢癌表現(xiàn)出優(yōu)異的治療和預(yù)防功效［127］。此外，利用表達(dá)共刺激信號(hào)CD80 的腫瘤細(xì)胞膜包覆在PLGA 納米粒子表面，構(gòu)建仿生aAPC，腫瘤細(xì)胞膜表面的抗原肽與T 細(xì)胞作用后直接刺激腫瘤抗原特異性T 細(xì)胞，控制腫瘤生長(zhǎng)［128］?？傊诩{米材料構(gòu)建aAPC，并進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化，可有效地進(jìn)行免疫調(diào)節(jié)并改善癌癥免疫療法的臨床療效。

3.3 定向運(yùn)動(dòng)納米機(jī)器人

與細(xì)菌機(jī)器人不同，定向運(yùn)動(dòng)納米機(jī)器人是采用納米技術(shù)與納米材料模擬細(xì)菌或精子等的運(yùn)動(dòng)方式構(gòu)建的微型機(jī)器。目前，定向運(yùn)動(dòng)納米機(jī)器人的主要推進(jìn)機(jī)制包括人造鞭毛的磁致動(dòng)、依靠周圍化學(xué)燃料的化學(xué)推進(jìn)、超聲推進(jìn)以及生物混合推進(jìn)等［129］。運(yùn)動(dòng)機(jī)器人可以導(dǎo)航到普通藥物難以到達(dá)的組織深部，有望在體內(nèi)進(jìn)行疾病診斷、靶向藥物輸送和微創(chuàng)手術(shù)等。

體內(nèi)研究中，克服黏滯力和在人體復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控是運(yùn)動(dòng)機(jī)器人研究的主要挑戰(zhàn)。2018年，吳志光等［130］報(bào)道一種基于納米技術(shù)構(gòu)建的能夠穿透玻璃體液并到達(dá)視網(wǎng)膜的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人；該機(jī)器人呈螺旋槳樣，全氟化碳的表面涂層能夠最小化螺旋機(jī)器人對(duì)周圍生物聚合物網(wǎng)絡(luò)的黏附力，球形頭部和螺旋樣尾巴之間通過磁片段連接，頭部直徑小于玻璃體三維網(wǎng)篩尺寸，可在外界磁場(chǎng)作用下穿過玻璃體到達(dá)視網(wǎng)膜；這種技術(shù)為納米機(jī)器人在眼內(nèi)甚至其他內(nèi)部組織的藥物遞送提供基礎(chǔ)。2019年，吳志光等［131］利用Mg微粒-造影劑-藥物-聚對(duì)二甲苯來構(gòu)建微納機(jī)器人，并包載于免受胃酸侵蝕的微膠囊中，建立了一種響應(yīng)光聲計(jì)算機(jī)斷層掃描（PACT）并進(jìn)行藥物控釋的腸道微納機(jī)器人；這種新穎的微納機(jī)器人聯(lián)合PACT 成像，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)細(xì)菌在體內(nèi)深層組織的成像和精確控制。此外，賀強(qiáng)團(tuán)隊(duì)［132］基于細(xì)菌運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)，利用聚合物刷接枝到金納米顆粒的一側(cè)，然后在另一側(cè)用葡萄糖氧化酶進(jìn)行功能化，制備了一群對(duì)葡萄糖源具有趨向性的納米級(jí)游泳機(jī)器人。目前，定向運(yùn)動(dòng)納米機(jī)器人在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制、生物成像、藥物控釋等的研究尚在初步階段，針對(duì)具體疾病的療效和體內(nèi)生物安全性需要更多的研究進(jìn)行評(píng)估。

3.4 DNA納米機(jī)器人

DNA 折紙是利用DNA 鏈來設(shè)計(jì)和合成特定大小、形狀和空間的DNA 納米結(jié)構(gòu)，為生物應(yīng)用提供了多功能平臺(tái)［133］。在之前的研究中，本團(tuán)隊(duì)與丁寶全團(tuán)隊(duì)［134］合作，將DNA 折紙構(gòu)建成了一種智能DNA 納米機(jī)器人，能夠精準(zhǔn)地遞送凝血酶進(jìn)行腫瘤治療。首先，M13 噬菌體基因組DNA 鏈與預(yù)先設(shè)計(jì)的訂書鏈DNA 連接組裝成一納米尺寸的矩形DNA折紙，并將凝血酶分子錨定在折紙表面。然后添加緊固件和靶向鏈形成負(fù)載凝血酶的中空管狀DNA 納米機(jī)器人，其兩端均修飾有額外的核仁素（腫瘤血管細(xì)胞表面的特異性蛋白）靶向DNA 適配體作為分子開關(guān)。之后體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明靜脈注射的DNA 納米機(jī)器人在到達(dá)腫瘤局部血管后，通過與血管內(nèi)皮上核仁素的識(shí)別，誘導(dǎo)DNA折紙發(fā)生結(jié)構(gòu)變化并釋放出其中的凝血酶，誘導(dǎo)血管內(nèi)血栓形成，導(dǎo)致腫瘤壞死并抑制腫瘤生長(zhǎng)。此外，這種DNA 納米機(jī)器人并沒有在腫瘤組織外誘導(dǎo)凝血，在小鼠和巴馬小型豬體中也無明顯的免疫反應(yīng)。未來，可利用DNA 納米機(jī)器人構(gòu)建不同的智能藥物輸送系統(tǒng)，以介導(dǎo)多種生物活性分子或者藥物（如短干擾RNA、多肽、化學(xué)藥物等）有效載荷和精準(zhǔn)遞送。

4 總結(jié)與展望

源自天然生命體的生物源納米材料彌補(bǔ)了合成材料的不足，表現(xiàn)出獨(dú)特的生物活性和相容性，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然無法滿足人們的諸多需求。而合成生物學(xué)“自上而下”策略賦予了生物源納米材料可定制性，為其執(zhí)行具體的生物學(xué)功能提供了工具平臺(tái)。本文詳細(xì)介紹了利用合成生物學(xué)改造細(xì)胞膜納米顆粒、外泌體、OMV、VLP 和細(xì)菌生物被膜方面的研究進(jìn)展，集中討論了以合成生物學(xué)為基礎(chǔ)的對(duì)生物源納米材料在生物毒性、功能執(zhí)行方面的改進(jìn)，特別是工程化之后的“仿生命體”在作為藥物/疫苗載體方面的潛力。雖然合成生物學(xué)工程化的生物源納米材料已經(jīng)有了諸多進(jìn)展，但是在臨床轉(zhuǎn)化方面依然有很多亟待解決的難題，特別是不同生物源納米材料的量產(chǎn)方式和標(biāo)準(zhǔn)化獲取路線的建立將推動(dòng)此類納米材料的臨床應(yīng)用。此外，合成生物學(xué)改造的活體生物材料可用于環(huán)境生物修復(fù)和能源催化、人工光合、電子設(shè)備涂層等方面，而且具有黏合性的活材料有潛力作為“智能膠水”用于生物醫(yī)藥、海洋工業(yè)等領(lǐng)域中［18，135］。

在腫瘤治療中，細(xì)菌療法和細(xì)胞療法處于研究前沿；但是這種“活細(xì)胞療法”的發(fā)展還有很多局限，包括治療效果、生物安全性、腫瘤靶向性等。而納米材料體積小、種類多、功能多樣，可以利用納米材料本身的特殊化學(xué)性質(zhì)對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行功能強(qiáng)化。本文重點(diǎn)闡述了納米人工雜合細(xì)菌或細(xì)胞的構(gòu)建及其在腫瘤治療中的應(yīng)用，這種“納米材料-活細(xì)胞”雜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了各個(gè)組件的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，提高了細(xì)菌和細(xì)胞療法的體內(nèi)安全性和有效性。在未來，需要不斷完善納米人工雜合生物系統(tǒng)這種“半生命體”的構(gòu)建理論和構(gòu)效關(guān)系，同時(shí)對(duì)其在體內(nèi)的作用機(jī)理和操控方法進(jìn)行詳細(xì)研究，才能夠?qū)崿F(xiàn)其臨床轉(zhuǎn)化。

1959 年，加利福尼亞理工學(xué)院的Richard Feynman教授演講時(shí)描述了他的學(xué)生設(shè)想通過吞咽“顯微外科醫(yī)師”以進(jìn)行體內(nèi)手術(shù)的想法［129］。盡管這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)是遙不可及的，但如今納米技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)讓這種設(shè)想的實(shí)現(xiàn)或者成為可能。利用納米材料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和組裝，模擬體內(nèi)生命活動(dòng)來構(gòu)建仿生化的“類生命體”，如納米元件組裝的定向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人和DNA 納米機(jī)器人已經(jīng)能夠作為智能化的輸運(yùn)平臺(tái)進(jìn)行多種藥物的高效精準(zhǔn)遞送，具有極大的臨床應(yīng)用潛力。但是類似的研究仍處于起步階段，還有很大的發(fā)展空間，其設(shè)計(jì)原理、組裝規(guī)律還需完善，在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡監(jiān)測(cè)、藥物控釋精準(zhǔn)度、診斷及治療的數(shù)據(jù)反饋等配套技術(shù)仍沒有完全建立。

綜上所述，本文對(duì)合成生物學(xué)和納米材料的交叉研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述，歸納并提出了一個(gè)全新的學(xué)科增長(zhǎng)點(diǎn)——合成納米生物學(xué)。合成生物學(xué)的發(fā)展為納米材料領(lǐng)域帶來全新的合成理論和獲取來源，而納米材料的加入則為合成生物學(xué)提供更多可能和創(chuàng)新空間。合成納米生物學(xué)的發(fā)展體現(xiàn)了生命科學(xué)與物質(zhì)科學(xué)的深入交叉融通，有望推動(dòng)更多生物功能材料的產(chǎn)出及功能性人工生命體的出現(xiàn)，滿足生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。