生物“计算机”诊断网络摧毁肿瘤细胞

由瑞士联邦理工学院(ETH)Yaakov Benenson教授与麻省理工Ron Weiss教授率领的研究小组成功地将生物“计算机”诊断网络导入人类细胞。该网络有识别某些肿瘤细胞的能力，利用五种肿瘤特异性分子因子的逻辑组合，进而触发肿瘤细胞毁灭过程。

 
细胞微机布线图：所有五种因子必须处于相应的正确状态，由此触发细胞死亡
　　开发活体细胞内运作的生物电脑，是ETH苏黎世分院合成生物学教授Yaakov (Kobi) Benenson孜孜以求的目标，其职业生涯的大部分时间都倾注于此。他想建立既能侦测细胞生存状况、又能在细胞异常时对相应信息进行处理以提供合适的治疗响应的生物微机。目前，通过与麻省理工教授Ron Weiss以及团队成员(包括博士后学者Zhen Xie 与 Liliana Wroblewska、博士生Laura Prochazka)合作，他向这一目标迈出了重大一步。
　　这一研究成果已发表，论文介绍了一种多基因合成“电路”;此电路负责鉴别正常细胞与肿瘤细胞、继而进一步摧毁肿瘤细胞。其工作方式是：对细胞内五种肿瘤特异性分子因子及其出现频率进行抽样与综合;只有当所有这些因子在细胞内同时出现时，该电路才会作出正识别响应。这种方式使得侦测肿瘤的准确率非常高。研究者希望这一成果能够为高特异性抗癌治疗奠定基础。
对肿瘤细胞的选择性破坏
　　本研究对实验室培养的两种类型人类细胞进行了基因网络测试：海拉细胞(子宫颈癌细胞)与正常细胞。当基因生物微机被导入这两种不同的细胞类型时，只有海拉细胞被摧毁，而正常细胞则安然无恙。
　　当然，取得这一结果需要做大量的基础工作。首先必须找出海拉细胞特有的分子组合。Benenson及其他小组成员在属于小RNA分子(MicroRNA或miRNA)这一类化合物的分子中找，终于确认其中一个miRNA组合(或者说“可识别属性”)只有海拉细胞才有，其它健康细胞类型内则不存在。
　　发现这种可识别属性是一项颇具挑战性的任务。人体内既存在250种不同的健康细胞类型，此外也存在为数众多的肿瘤细胞的变异型(其中数百种可作实验室培养)。但miRNA多样性则更是不让须眉花样繁多，人类细胞中已得以描述的即达500到1000不同种类。Benenson指出：“每种健康或病损细胞类型都有其不同的miRNA分子处于开放或关闭状态。”
可识别肿瘤属性中的五种因子
　　确立一种miRNA“可识别属性”与发现一组症状以可靠诊断一种疾病有所不同。教授说：“一种症状，比如说发热吧，不可能由此概括出一种疾病。医生获得的信息越多，其诊断才越可靠。”　一年半前他从哈佛大学到ETH后，研究小组找到了几种因子，可由此可靠地将海拉细胞从所有其它健康细胞中鉴别出;结果表明，仅仅五种特定miRNA的组合(其中某些以高水平出现，某些则以极低水平出现)就足以将海拉细胞从其混迹的健康细胞中揪出来。
与微机运作相似的网络
　　Benenson介绍说：“这些miRNA因子在细胞内进行逻辑代数运算;该生物微机运用诸如‘与’与‘非’等逻辑操作将这些因子进行组合，并且，当全部因子的整体运算结果为逻辑‘真’值时，只产生所需要的结果——那就是细胞死亡。”　确实，研究者已经能够显示该网络在活体细胞内可以非常稳定地运作，可正确组合所有细胞内因子并给出正确的诊断。Benenson认为，这一成果代表该领域的一项重大成就。
动物模型与基因疗法
　　该研究小组想在下一步在合适的动物模型上测试该细胞计算方法，以期在未来创建诊断与治疗工具。这听起来可能象科幻小说，但Benenson相信其可行性;不过，仍有不少棘手的问题需要解决。比如，如何有效、安全地将外源基因导入细胞?这种DNA递送在目前情况下颇具挑战性。尤其是，该方法需要将外源基因暂时而不是永久导入细胞。现有的病毒导入法或化学导入法均未充分开发，需要进一步完善。
　　Benenson说：“为人类提供一种功能完善的治疗方法还非常遥远。不过这一工作是重要的第一步，显示了单一细胞水平上这样一种选择性诊断方法具有可行性。”