讓癌細(xì)胞“改邪歸正”
——記廣東省泌尿生殖系腫瘤系統(tǒng)與合成生物學(xué)重點實驗室研究團隊

吳應(yīng)清

癌癥，人們談之色變，唯恐避之不及。膀胱癌是泌尿系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤，發(fā)病率居泌尿系統(tǒng)惡性腫瘤的首位。目前在臨床采用的腫瘤放化療等方法，盡管對癌癥治療起了一定作用，但其對癌細(xì)胞和正常細(xì)胞“通殺”的缺點和給患者帶來的巨大痛苦卻不容忽視。所以，開發(fā)精準(zhǔn)干預(yù)腫瘤細(xì)胞的靶向治療方法，已經(jīng)成為癌癥研究領(lǐng)域的熱點。

在深圳，由國家泌尿外科重點學(xué)科帶頭人蔡志明牽頭廣東省泌尿生殖系腫瘤系統(tǒng)與合成生物學(xué)重點實驗室研究團隊另辟蹊徑開展研究。他們以合成生物學(xué)技術(shù)為矛，以期用這一“新式武器”攻克膀胱癌，并為其他癌癥的治療提供新思路。經(jīng)過多年的協(xié)同攻關(guān)，團隊已經(jīng)取得了一系列突破性的研發(fā)成果。近5年間，共發(fā)表SCI論文237篇，其中影響因子10分以上的論文21篇，擁有授權(quán)發(fā)明專利17項，獲得多項各級科技獎項。讓癌細(xì)胞“精準(zhǔn)死亡，扶正祛邪”，讓研究成果真正惠及癌癥患者，是他們的最高目標(biāo)，團隊正以“一萬年太久，只爭朝夕”的干勁兒勇往直前，砥礪前行。

樂在其中

作為一名“80后”，實驗室副主任黃衛(wèi)人的求學(xué)時代正好是生命科學(xué)技術(shù)突飛猛進的時期。在那個年代，研究者們發(fā)明PCR技術(shù)、掀起克隆動物熱潮、完成人類基因組計劃……生命科學(xué)領(lǐng)域日新月異的發(fā)展讓人眼花繚亂。這也對學(xué)子、研究者提出了更高的要求，他們不僅要學(xué)習(xí)已有的學(xué)科知識，還要了解整個學(xué)科的前沿進展，以服務(wù)和指導(dǎo)科研工作。隨著學(xué)習(xí)、研究的不斷深入，黃衛(wèi)人逐漸將研究方向鎖定在泌尿生殖系統(tǒng)腫瘤發(fā)生機制及診療上，尤其是泌尿系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤——膀胱癌上。

科學(xué)家認(rèn)為，至少4000種基因與人類疾病的發(fā)生有直接關(guān)系，還有大量基因與疾病有千絲萬縷的聯(lián)系。要想真正弄懂膀胱癌的發(fā)病機制，解析膀胱癌基因組是必由之路。黃衛(wèi)人和團隊在國際腫瘤基因組聯(lián)合項目的支持下，經(jīng)過多年的刻苦攻關(guān)，終于完成了膀胱癌基因組解析，相關(guān)數(shù)據(jù)被納入癌癥領(lǐng)域廣為人知的國際TCGA數(shù)據(jù)庫（癌癥基因組圖譜數(shù)據(jù)庫），占到了膀胱癌數(shù)據(jù)的半壁江山。

完成膀胱癌基因組解析，并不代表著就弄懂了膀胱癌的發(fā)病機制。面對這本“生命天書”，“怎么讀”“讀完能否寫出來”是黃衛(wèi)人和團隊接下來要面臨的更大挑戰(zhàn)。恰在此時，后基因組時代重要學(xué)科發(fā)展方向合成生物學(xué)進入他們的視野。基于全面基因組信息解析為基礎(chǔ)的新生學(xué)科，合成生物學(xué)是生物學(xué)與工程學(xué)融合的交叉學(xué)科，實際上是工程學(xué)的思維在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。工程學(xué)中重要的策略，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化以及建模在合成生物學(xué)中同樣關(guān)鍵。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，合成生物學(xué)家們可以將復(fù)雜的生命系統(tǒng)分解，可以在不同的尺度上（如元件、回路、途徑等）對生命過程進行設(shè)計、組裝構(gòu)建、測試并重新設(shè)計。有學(xué)者預(yù)期，合成生物學(xué)將對藥物、能源、材料、環(huán)境以及人類的健康等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

蔡志明團隊合照

“就像我們把玩具拆開，然后重新去組裝出來并實現(xiàn)相應(yīng)的功能。只有這樣，我們才能真正理解生命。”黃衛(wèi)人深入淺出地解釋道。他們希望利用合成生物學(xué)的方法，將膀胱癌基因組中特定功能的基因信息提煉出來，通過不同功能的重新組裝，產(chǎn)生新的生命體系，包括腫瘤特性識別、腫瘤特性干預(yù)、腫瘤網(wǎng)絡(luò)的人工可控的調(diào)控，從而實現(xiàn)對腫瘤的診治。

黃衛(wèi)人和團隊的這一設(shè)想得到了國家的大力支持。作為我國以獲得原創(chuàng)性研究成果為目標(biāo)的最高層次研究項目，原國家“973計劃”將合成生物學(xué)納入了研發(fā)計劃，這在國內(nèi)還屬首次，在當(dāng)時國內(nèi)外產(chǎn)生了巨大反響。2014年1月，在實驗室主任、美國生物醫(yī)學(xué)與生物學(xué)工程學(xué)院Fellow、原國家“973計劃”首席科學(xué)家蔡志明的帶領(lǐng)下，原國家“973計劃”“合成生物器件干預(yù)膀胱癌的基礎(chǔ)研究”項目正式啟動，以深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院為主導(dǎo)，與多所科研院校合作，以膀胱癌作為模式腫瘤，開展合成生物器件干預(yù)腫瘤的基礎(chǔ)研究，旨在通過構(gòu)建特異、可控和多靶點的合成生物干預(yù)系統(tǒng)，彌補傳統(tǒng)靶向治療的缺陷，解決合成器件干預(yù)腫瘤的相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問題，為癌癥的治療提供廣泛的科學(xué)依據(jù)和有效工具。作為研究骨干，黃衛(wèi)人全程學(xué)習(xí)參與，并做了大量卓有成效的貢獻。

區(qū)分癌細(xì)胞與正常細(xì)胞，是黃衛(wèi)人和團隊首先要面對的一大難題。據(jù)了解，由于膀胱癌早發(fā)現(xiàn)早治療比較困難，晚期癌癥患者往往會失去手術(shù)的機會。而由于癌細(xì)胞的異質(zhì)性，以及與正常細(xì)胞的相似性，傳統(tǒng)的放療和化療將癌細(xì)胞和正常細(xì)胞一并殺死，并且容易使癌細(xì)胞產(chǎn)生耐藥性，一旦轉(zhuǎn)移將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，區(qū)分癌細(xì)胞與正常細(xì)胞是癌癥診療的關(guān)鍵所在。2012年，基因編輯技術(shù)出現(xiàn)，它設(shè)計簡單、靶向性強，黃衛(wèi)人一直思考能否將其引入癌癥診療？答案是肯定的。經(jīng)過大量的實驗和研究工作，黃衛(wèi)人和團隊有了突破性進展，利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)構(gòu)建了與門（AND gate）遺傳線路。“通過調(diào)控相應(yīng)的基因線路，能夠?qū)崿F(xiàn)膀胱癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的特異識別與區(qū)分，并且能夠有效抑制膀胱癌細(xì)胞生長，誘導(dǎo)其凋亡，遏制細(xì)胞遷移運動能力。”黃衛(wèi)人介紹，這一創(chuàng)舉在國際上首次實現(xiàn)了對膀胱癌的精準(zhǔn)靶向和控制，同時也為其他腫瘤提供了一個可供借鑒的普適性精準(zhǔn)化研究與治療策略。

同時，黃衛(wèi)人及其團隊進一步構(gòu)建基于CRISPR-Cas9系統(tǒng)的“基因調(diào)控線路”，調(diào)控膀胱癌細(xì)胞信號網(wǎng)絡(luò)和重編程癌細(xì)胞命運，實現(xiàn)了對細(xì)胞多種內(nèi)源蛋白信號和復(fù)雜分子網(wǎng)絡(luò)的定向整合、控制與信號系統(tǒng)的重塑，能動態(tài)應(yīng)答并有效處理不同的分子信號，改變細(xì)胞信息流動方向，成為搭建人工基因線路的重要使能工具，也解決了科學(xué)上的一個重大挑戰(zhàn)。

在利用合成生物學(xué)策略構(gòu)建基因線路識別膀胱癌細(xì)胞后，如何將基因線路高效靶向“運輸”到膀胱癌細(xì)胞，也是黃衛(wèi)人團隊重點關(guān)注的問題。團隊構(gòu)建基于微小啟動子的“CRISPReader”基因線路，設(shè)計小型化CRISPR-AAV表達系統(tǒng)，實現(xiàn)對CRISPR-Cas9基因線路系統(tǒng)的高效遞送，作為一種新型的基因表達調(diào)控系統(tǒng)，在膀胱癌基因治療方面具有極大的應(yīng)用價值。

蔡志明

在腫瘤發(fā)展及治療過程中，癌細(xì)胞及癌細(xì)胞死亡相關(guān)因子會嚴(yán)重影響腫瘤微環(huán)境，導(dǎo)致嚴(yán)重的腫瘤免疫耐受。因此，在實現(xiàn)膀胱癌細(xì)胞“精準(zhǔn)識別”后，如何重塑腫瘤免疫微環(huán)境，促進免疫系統(tǒng)對腫瘤的識別與清除，激活特異、長效的抗腫瘤免疫應(yīng)答，進而阻止腫瘤的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移，是團隊下一步的主攻方向。據(jù)此，黃衛(wèi)人及其團隊進一步聚焦如何利用合成生物學(xué)技術(shù)重塑細(xì)胞微環(huán)境，以實現(xiàn)腫瘤的高效、精準(zhǔn)、可控治療。黃衛(wèi)人作為項目首席科學(xué)家，組織國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域優(yōu)勢團隊協(xié)同攻關(guān)，獲得科技部重點研發(fā)計劃項目支持。以期實現(xiàn)膀胱癌細(xì)胞特異殺傷與免疫激活的協(xié)同效應(yīng)，為膀胱癌治療提供全新的策略，最終實現(xiàn)針對膀胱癌的“精準(zhǔn)殺傷，扶正去邪”，在癌細(xì)胞精準(zhǔn)識別與死亡的同時，抑制其微環(huán)境的抑制能力，激活免疫細(xì)胞的持續(xù)抗腫瘤能力。

黃衛(wèi)人

冬去春來，十年鑄劍。2020年是黃衛(wèi)人從事泌尿系統(tǒng)腫瘤發(fā)病機制研究和診療的第十個年頭，雖然還不到40歲，但他已經(jīng)在泌尿生殖系統(tǒng)疾病發(fā)生機制、腫瘤個體化診斷及治療的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、合成生物學(xué)、基因編輯技術(shù)研究及轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域做出了突出貢獻。他以國內(nèi)高發(fā)的膀胱癌為模型較早將工程化理念與腫瘤研究結(jié)合，系統(tǒng)地發(fā)掘出一批膀胱癌細(xì)胞表型識別和控制有效靶點；完成了膀胱癌特異基因開關(guān)元件的合成和表征；構(gòu)建出可同時感應(yīng)多層面信號的人工基因線路，實現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的特異區(qū)分和腫瘤信號網(wǎng)絡(luò)的智能識別與人工調(diào)控，進一步深入理解腫瘤發(fā)病機理。在包括Nature Methods、Nature Communications、Genome Biology、JACS、 cancer letters、ACS Synthetic Biology、Cell Death & Disease等雜志以通訊作者或者第一作者發(fā)表SCI論文60余篇。相關(guān)成果獲得深圳市自然科學(xué)獎1項，中華醫(yī)學(xué)科技獎1項，科學(xué)中國人（2017）年度人物杰出青年科學(xué)家獎，2018年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎。申報國家專利28項，獲得發(fā)明專利授權(quán)11項。

在科研工作外，黃衛(wèi)人還承擔(dān)了大量科研管理和學(xué)術(shù)事務(wù)。除擔(dān)任廣東省泌尿生殖腫瘤系統(tǒng)與合成生物學(xué)重點實驗室執(zhí)行主任以外，還積極推動醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)的發(fā)展，參與中國生物醫(yī)藥技術(shù)協(xié)會合成生物學(xué)專委會，中國生物工程學(xué)會合成生物學(xué)專委會籌建，擔(dān)任深圳市合成生物學(xué)協(xié)會副會長等職務(wù)；已經(jīng)成為推動學(xué)科發(fā)展和技術(shù)進步的中堅力量。

回首醫(yī)學(xué)科研經(jīng)歷，黃衛(wèi)人笑稱是“誤入歧途”，懵懵懂懂地踏上了一條艱辛而又神圣的道路。隨著研究的不斷深入，面對諸多現(xiàn)實需求和難題，他“覺得自己應(yīng)該做點什么”，變得“樂在其中”，“7-11”（每周工作7天，每天工作11小時）是他的工作常態(tài)。注重效率，執(zhí)著前行，是黃衛(wèi)人的科研自畫像。同時，也激勵著整個團隊不斷向前，不斷攀登新的高峰。

敏而好學(xué)

2010年的一天，時任北京大學(xué)深圳醫(yī)院院長的蔡志明照例帶領(lǐng)一群汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院的本科生開展臨床實習(xí)，他給每個人5分鐘時間，讓他們講關(guān)注的最新的學(xué)術(shù)動態(tài)或關(guān)鍵性進展。這是蔡志明的獨創(chuàng)，他通過這種方式了解每名實習(xí)生的學(xué)業(yè)情況、思想深度和研究重點，以便因材施教。一個瘦弱的小伙子講了“夜尿與膀胱癌發(fā)病的關(guān)系”。這一創(chuàng)新性的見解讓蔡志明十分驚喜：一個本科生能有這樣獨到且有深度的見解實屬難得。他當(dāng)即邀請這個小伙子以后加入他的研究團隊，開展泌尿基因組、醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)的研究。這個小伙子就是劉宇辰。

劉宇辰出生于1988年，在父親的悉心培養(yǎng)下，從小就對自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。高考時，他將臨床醫(yī)學(xué)作為志愿之一。成績優(yōu)異的他被汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院7年制臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)（本碩連讀）錄取。本科實習(xí)期的這個小插曲，讓劉宇辰將泌尿醫(yī)學(xué)作為今后的研究方向，碩博階段就開始跟隨蔡志明開展相關(guān)研究。2015年，博士畢業(yè)后，他正式加入蔡志明研究團隊。作為團隊里較為年輕的研究人員，劉宇辰不急不躁，潛下心來搞研究，在蔡志明、黃衛(wèi)人等的帶領(lǐng)和指導(dǎo)下，致力于將合成生物學(xué)技術(shù)應(yīng)用于膀胱癌診斷和治療的研究。

癌細(xì)胞由正常細(xì)胞變異而來，所以與正常細(xì)胞具有天然的相似性，并且為了“擴大地盤”，癌細(xì)胞還會通過“偽裝”躲開免疫系統(tǒng)的追蹤。傳統(tǒng)的診療手段主要依靠各種儀器，只有當(dāng)癌細(xì)胞分裂的足夠多，腫瘤足夠大時，才能夠通過儀器檢測出來。早診早治是治療癌癥的黃金法則。如何更早更精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞，是研究者們面臨的難題。

世上無難事，只要肯登攀。通過大量的觀察實驗，比對分析，劉宇辰和團隊通過構(gòu)建定量可控的人工miRNA、shRNA元件庫和CRISPR-Cas9元件庫，發(fā)掘出了一批與膀胱癌細(xì)胞惡性增殖、凋亡、轉(zhuǎn)移、遷移和侵襲相關(guān)的作用靶點。通過對基因靶點的分子機制和功能研究，他們設(shè)計并開發(fā)出了膀胱癌特異靶點響應(yīng)、應(yīng)答和干預(yù)元件庫，還將工程學(xué)原則引入相關(guān)元件的偶聯(lián)、適配和組裝過程，最終獲得了可特異區(qū)分膀胱癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的基因線路和“生物雙開關(guān)”，對癌癥診斷開辟了新的研究思路。這一成果于2014年11月發(fā)表在Nature子刊上。基因編輯技術(shù)的開拓者、美國科學(xué)院院士Jennifer A. Doudna教授對其進行了積極點評，認(rèn)為該技術(shù)拓展了合成生物學(xué)家的工具箱，為復(fù)雜基因線路的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

團隊研究成果還引起了一群年輕人的關(guān)注。這是一群來自深圳大學(xué)的本科生，他們想：利用與門遺傳回路，是否能做一個專門針對膀胱癌細(xì)胞的分子機器人，讓它進入到人體內(nèi)“狙擊”膀胱癌細(xì)胞呢？為此，他們主動找到當(dāng)時還是學(xué)生的劉宇辰師兄，希望得到指導(dǎo)。為了更好地了解膀胱癌的發(fā)病特點，學(xué)生們甚至跑到醫(yī)院現(xiàn)場采訪了很多膀胱癌患者。

看到年輕學(xué)子對膀胱癌診療如此感興趣，蔡志明教授非常高興，安排黃衛(wèi)人和劉宇辰博士抽出寶貴的時間，毫無保留地向?qū)W生們介紹研究原理，介紹目前膀胱癌診療的現(xiàn)狀和問題，解答疑問，讓學(xué)生們對膀胱癌的發(fā)病特點有了準(zhǔn)確的認(rèn)識。在團隊的指導(dǎo)下，學(xué)生們設(shè)計開發(fā)了“膀胱癌狙擊手”智能分子機器人模塊。這一成果在2015年美國麻省理工學(xué)院（MIT）主辦的、全球共128個國家高校參加的國際遺傳機器大賽（IGEM）中榮獲金牌。

正常細(xì)胞有自己正常的內(nèi)在的信號通路和基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，這讓它們可以正常工作。但是如果細(xì)胞處在疾病狀態(tài)，特別是變異成癌細(xì)胞，它內(nèi)在的這種基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、信號通路都是大量紊亂的。如果改變癌細(xì)胞的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，是不是就能夠抑制癌細(xì)胞的生長？如果將癌細(xì)胞的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)改成正常細(xì)胞的，是不是就能將癌細(xì)胞變?yōu)檎＜?xì)胞？這些令人激動的設(shè)想，還需要勇敢的研究者來探路。劉宇辰博士利用合成生物學(xué)技術(shù)人工設(shè)計的“信號傳導(dǎo)器”誕生了。這個器件可特異感知腫瘤任何異常分子的存在，并同時與下游多個抑癌分子組成一個新的“信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)”，進而“重新編程”腫瘤細(xì)胞的分子信息程序，逆轉(zhuǎn)其惡性生物學(xué)行為，或誘導(dǎo)其進入自殺程序。“這個‘信號傳感器’就像是一個核酸機器人，它能感知細(xì)胞的生命狀態(tài)。更重要的是，在一定程度上可以遏制癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。”劉宇辰介紹道。2016年9月，相關(guān)研究成果發(fā)表于國際頂級生物技術(shù)期刊Nature Methods。一經(jīng)發(fā)表即引起國內(nèi)外同行廣泛關(guān)注，認(rèn)為其在未來具有廣泛的應(yīng)用前景和臨床轉(zhuǎn)化價值，特別將在癌癥治療應(yīng)用研究領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的應(yīng)用價值”。

劉宇辰

短短數(shù)年，劉宇辰在求學(xué)和工作過程中，積極擁抱合成生物學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，取得驕人成績，在Nature Methods、Nature Communications等刊物發(fā)表論文30篇主持或參與國家自然科學(xué)基金3項，獲得廣東省“杰出青年”基金支持，榮獲廣東省科學(xué)技術(shù)獎一等獎和高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎自然科學(xué)獎二等獎，深圳市青年科學(xué)獎；被福布斯雜志評選為“全球30位30歲以下青年杰出人才”。

百花齊放

2017年，廣東省泌尿生殖腫瘤系統(tǒng)與合成生物學(xué)重點實驗室正式掛牌。作為國內(nèi)首家利用合成生物學(xué)計劃開展膀胱癌診療研究的機構(gòu)，它的孕育和成長遇到了“特別”的艱難。

作為省重點實驗室，有廣東省和深圳市的雙重支持，資金不是問題。研究人員回憶，實驗室初建時，最大的困難是思想的統(tǒng)一。在當(dāng)時，合成生物學(xué)仍然是一個新生學(xué)科，很多人對“什么是合成生物學(xué)”存在疑問，不知道利用合成生物學(xué)能做什么，不知道它的優(yōu)勢在哪里。而且，當(dāng)時實驗室的成員研究背景各有不同，有做臨床醫(yī)學(xué)的，有做遺傳學(xué)的，有做基因組學(xué)的，還有做傳統(tǒng)生物治療的，大家都基于自身的研究經(jīng)歷對“合成生物學(xué)”有各自的理解。

統(tǒng)一的思想，是統(tǒng)一行動的前提。在科學(xué)研究中，統(tǒng)一的思想更是行路指南，指引著研究方向。實驗室主任蔡志明是國內(nèi)較早地倡導(dǎo)將合成生物學(xué)技術(shù)引入腫瘤尤其是膀胱癌研究的專家，對合成生物學(xué)的應(yīng)用前景十分看好。面對大家思想的不一致，他并沒有強制定下研究內(nèi)容，規(guī)定研究方向，而是鼓勵大家各抒己見，暢所欲言。很多時候，能真正說服人的，不是語言，而是行動。在當(dāng)時，根據(jù)前期的研究工作，大家已經(jīng)在膀胱癌基因組學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)了很多靶點，但卻不知道該怎么用這些靶點來進行膀胱癌的診療。此時，蔡志明提出：可以用合成生物學(xué)的技術(shù)來解決多靶點診療問題。在蔡志明的指導(dǎo)下，黃衛(wèi)人、劉宇辰等通過研究，成功構(gòu)建了與門遺傳回路，找到了研究的突破口，也讓大家看到了合成生物學(xué)強大的技術(shù)實力，研究思想實現(xiàn)了真正的統(tǒng)一。

星霜輪轉(zhuǎn)，歲月更替。短短5年間，實驗室已經(jīng)頗具規(guī)模，研發(fā)場地面積達3500平方米，設(shè)備總值為4500萬元。一個囊括近40位國內(nèi)外高水平人才、學(xué)術(shù)實力雄厚、敢闖敢拼的研究團隊已然形成，他們中間既有像黃衛(wèi)人這樣樂在其中的中堅力量，也有像劉宇辰這樣敏而好學(xué)的優(yōu)秀青年，還有像蔡志明這樣高瞻遠矚的領(lǐng)軍人物。他們正以昂揚的精神狀態(tài)，向下一個五年、十年邁進。在未來，癌癥診療將發(fā)生怎樣翻天覆地的變化，我們拭目以待。