生物“電腦”摧毀腫瘤細(xì)胞：人類細(xì)胞導(dǎo)入診斷網(wǎng)絡(luò)

《每日科學(xué)》2011年9月1日?qǐng)?bào)道——由瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）Yaakov Benenson教授與麻省理工Ron Weiss教授率領(lǐng)的研究小組成功地將生物“計(jì)算機(jī)”診斷網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入人類細(xì)胞。該網(wǎng)絡(luò)有識(shí)別某些腫瘤細(xì)胞的能力，利用五種腫瘤特異性分子因子的邏輯組合，進(jìn)而觸發(fā)腫瘤細(xì)胞毀滅過程。

　　開發(fā)活體細(xì)胞內(nèi)運(yùn)作的生物電腦，是ETH蘇黎世分院合成生物學(xué)教授Yaakov (Kobi) Benenson孜孜以求的目標(biāo)，其職業(yè)生涯的大部分時(shí)間都傾注于此。他想建立既能偵測(cè)細(xì)胞生存狀況、又能在細(xì)胞異常時(shí)對(duì)相應(yīng)信息進(jìn)行處理以提供合適的治療響應(yīng)的生物微機(jī)。目前，通過與麻省理工教授Ron Weiss以及團(tuán)隊(duì)成員（包括博士后學(xué)者Zhen Xie 與 Liliana Wroblewska、博士生Laura Prochazka）合作，他向這一目標(biāo)邁出了重大一步。

　　這一研究成果已發(fā)表于《Science》（見本文所附參考文獻(xiàn)），論文介紹了一種多基因合成“電路”；此電路負(fù)責(zé)鑒別正常細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞、繼而進(jìn)一步摧毀腫瘤細(xì)胞。其工作方式是：對(duì)細(xì)胞內(nèi)五種腫瘤特異性分子因子及其出現(xiàn)頻率進(jìn)行抽樣與綜合；只有當(dāng)所有這些因子在細(xì)胞內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，該電路才會(huì)作出正識(shí)別響應(yīng)。這種方式使得偵測(cè)腫瘤的準(zhǔn)確率非常高。研究者希望這一成果能夠?yàn)楦咛禺愋钥拱┲委煹於ɑA(chǔ)。

對(duì)腫瘤細(xì)胞的選擇性破壞

　　本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的兩種類型人類細(xì)胞進(jìn)行了基因網(wǎng)絡(luò)測(cè)試：海拉細(xì)胞（子宮頸癌細(xì)胞）與正常細(xì)胞。當(dāng)基因生物微機(jī)被導(dǎo)入這兩種不同的細(xì)胞類型時(shí)，只有海拉細(xì)胞被摧毀，而正常細(xì)胞則安然無恙。

　　當(dāng)然，取得這一結(jié)果需要做大量的基礎(chǔ)工作。首先必須找出海拉細(xì)胞特有的分子組合。Benenson及其他小組成員在屬于小RNA分子（MicroRNA或miRNA）這一類化合物的分子中找，終于確認(rèn)其中一個(gè)miRNA組合（或者說“可識(shí)別屬性”）只有海拉細(xì)胞才有，其它健康細(xì)胞類型內(nèi)則不存在。

　　發(fā)現(xiàn)這種可識(shí)別屬性是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。人體內(nèi)既存在250種不同的健康細(xì)胞類型，此外也存在為數(shù)眾多的腫瘤細(xì)胞的變異型（其中數(shù)百種可作實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)）。但miRNA多樣性則更是不讓須眉花樣繁多，人類細(xì)胞中已得以描述的即達(dá)500到1000不同種類。Benenson指出：“每種健康或病損細(xì)胞類型都有其不同的miRNA分子處于開放或關(guān)閉狀態(tài)。”

可識(shí)別腫瘤屬性中的五種因子

　　確立一種miRNA“可識(shí)別屬性”與發(fā)現(xiàn)一組癥狀以可靠診斷一種疾病有所不同。教授說：“一種癥狀，比如說發(fā)熱吧，不可能由此概括出一種疾病。醫(yī)生獲得的信息越多，其診斷才越可靠。”　一年半前他從哈佛大學(xué)到ETH后，研究小組找到了幾種因子，可由此可靠地將海拉細(xì)胞從所有其它健康細(xì)胞中鑒別出；結(jié)果表明，僅僅五種特定miRNA的組合（其中某些以高水平出現(xiàn)，某些則以極低水平出現(xiàn)）就足以將海拉細(xì)胞從其混跡的健康細(xì)胞中揪出來。

與微機(jī)運(yùn)作相似的網(wǎng)絡(luò)

　　Benenson介紹說：“這些miRNA因子在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行邏輯代數(shù)運(yùn)算；該生物微機(jī)運(yùn)用諸如‘與’與‘非’等邏輯操作將這些因子進(jìn)行組合，并且，當(dāng)全部因子的整體運(yùn)算結(jié)果為邏輯‘真’值時(shí)，只產(chǎn)生所需要的結(jié)果——那就是細(xì)胞死亡。”　確實(shí)，研究者已經(jīng)能夠顯示該網(wǎng)絡(luò)在活體細(xì)胞內(nèi)可以非常穩(wěn)定地運(yùn)作，可正確組合所有細(xì)胞內(nèi)因子并給出正確的診斷。Benenson認(rèn)為，這一成果代表該領(lǐng)域的一項(xiàng)重大成就。

動(dòng)物模型與基因療法

　　該研究小組想在下一步在合適的動(dòng)物模型上測(cè)試該細(xì)胞計(jì)算方法，以期在未來創(chuàng)建診斷與治療工具。這聽起來可能象科幻小說，但Benenson相信其可行性；不過，仍有不少棘手的問題需要解決。比如，如何有效、安全地將外源基因?qū)爰?xì)胞？這種DNA遞送在目前情況下頗具挑戰(zhàn)性。尤其是，該方法需要將外源基因暫時(shí)而不是導(dǎo)入細(xì)胞。現(xiàn)有的病毒導(dǎo)入法或化學(xué)導(dǎo)入法均未充分開發(fā)，需要進(jìn)一步完善。

　　Benenson說：“為人類提供一種功能完善的治療方法還非常遙遠(yuǎn)。不過這一工作是重要的步，顯示了單一細(xì)胞水平上這樣一種選擇性診斷方法具有可行性。”