合成生物學(xué)與納米生物學(xué)的交叉融合及其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

鄭涵奇，吳晴，李洪軍，2，顧臻，2，3，4

（1 浙江省先進(jìn)遞藥系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)藥學(xué)院，浙江 杭州 310058；2 浙江省系統(tǒng)與精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，良渚實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)中心，浙江 杭州 311121；3 浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院，普外科，浙江 杭州 310016；4 高分子合成與功能化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程系，浙江 杭州 310027）

Representative examples for the integration of synthetic biology and nanobiotechnology.Nanotechnology can reinforce the development of synthetic biology by promoting the design and delivery of gene circuits.The delivery of gene circuits can be facilitated by nanocarriers, including organic (a),inorganic(b),and bionic(c)systems.Nanoparticles can convert optical,magnetic,and acoustic signals to thermal signals to regulate gene expression(d).Synthetic biology can extend the applications of nanotechnology through genetically engineering biologic nano-agents.Platelets (e), exosomes(f), microvesicles (g), and membrane-derived vesicles (h) can be programmed through synthetic biology.Synthetic biology and nanobiology can jointly generate functional modules and hybrid systems for artificial biomimetic systems.DNA, lipids, and polymers can self-assemble into functional modules(i),and nanoparticles can be combined with chimeric antigen receptor T-cells and bacteria respectively to form hybrid systems(j).

合成生物學(xué)技術(shù)通過對生命體進(jìn)行工程化的設(shè)計、改造乃至重新合成，最終創(chuàng)建超越自然功能的人造系統(tǒng)［1］。合成生物學(xué)技術(shù)已在多個領(lǐng)域產(chǎn)生了重要的影響并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，包括生命健康、生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、新型化工、污染治理等領(lǐng)域。合成生物學(xué)的研究主要有兩種理念的指導(dǎo)：“自上而下”理念是使用代謝或基因工程技術(shù)賦予現(xiàn)有生物系統(tǒng)新的功能；“自下而上”理念是以非生命的生物分子組件來從頭設(shè)計并創(chuàng)建新的生物系統(tǒng)［2］。從“自上而下”的策略出發(fā)，合成生物學(xué)將復(fù)雜的天然生命系統(tǒng)抽象化、解偶聯(lián)，拆解為標(biāo)準(zhǔn)化的生物元件［3］。通過生物元件的功能化組裝，重構(gòu)為復(fù)雜的基因線路以編碼細(xì)胞的功能，使得合成的生命系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)［4］。目前開發(fā)出的鋅指蛋白（zinc-finger proteins，ZFPs）、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)器（transcription activator-like effectors，TALEs）和聚集的規(guī)則間隔短回文重復(fù)（clustered regularly interspaced short palindromic repeat，CRISPR）等技術(shù)，可以用來構(gòu)建和調(diào)控合成基因線路［5］。然而，合成基因線路如何安全高效地遞送到特定靶部位、導(dǎo)入特定的細(xì)胞是合成生物學(xué)研究向臨床轉(zhuǎn)化的重要挑戰(zhàn)［6］。

納米生物學(xué)技術(shù)旨在利用物質(zhì)在微納米尺度下具有的獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)以解決藥物遞送、疾病診斷和干預(yù)等重大生物學(xué)問題［7-8］。納米材料可以通過封裝或附著等多種方式［9］，幫助以基因線路為代表的合成生物學(xué)元件跨越多重生理屏障有效到達(dá)靶標(biāo)位置。同時納米材料所具有的獨(dú)特的化學(xué)、機(jī)械、磁、電和生物特性［10］，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的響應(yīng)以達(dá)到體內(nèi)外行為的可控。然而，傳統(tǒng)的納米材料生產(chǎn)主要基于物理、化學(xué)方法進(jìn)行，且常使用的溶劑和修飾分子往往帶來生物安全性方面的隱患［11］。近年來，以生物為中心的納米材料生產(chǎn)展現(xiàn)出環(huán)保、生物活性好、毒性相對較小的優(yōu)勢。除了采用基因工程生物如轉(zhuǎn)基因菌株、酵母、煙草花葉病毒等作為生物工廠合成納米材料［12］之外，以細(xì)胞為來源衍生出的納米囊泡、納米顆粒生物相容性高，也被廣泛用于新型納米制劑的研發(fā)［13］。生物源性納米材料在基因工程的助力下可以被自主設(shè)計和改造［14］，為其生物應(yīng)用帶來突破。

鑒于合成生物學(xué)和納米生物學(xué)各自的特色與需求，兩者的融合是學(xué)科發(fā)展的一大趨勢。自然界中許多復(fù)雜的生物功能由自組裝功能單元的共價或低聚組合進(jìn)化而來。相應(yīng)地，基于合成生物學(xué)“自下而上”的理念，從盡可能小的組分（包括DNA、蛋白質(zhì)和其他有機(jī)分子等）出發(fā)，可以構(gòu)筑全新的生物功能組件模塊，從而創(chuàng)建完全可操作的生物系統(tǒng)［15］。同時，自下而上的自組裝方法也是納米生物學(xué)中的重要技術(shù)手段［16］，可以在納米尺度上創(chuàng)造新的器件，模擬或強(qiáng)化生命體的特定功能。因此，在合成生物學(xué)策略指導(dǎo)下，通過自組裝方式獲得具有生物催化或觸發(fā)響應(yīng)功能的模塊化納米組件，實(shí)現(xiàn)對酶促反應(yīng)隔室化和外界刺激響應(yīng)性等活細(xì)胞特征的仿生，可為人造細(xì)胞的構(gòu)建提供新的設(shè)計思路［17］。此外，將納米器件和合成生物學(xué)改造后的底盤生物（如嵌合抗原受體T細(xì)胞、工程化細(xì)菌等）結(jié)合形成的納米人工雜合系統(tǒng)，可以發(fā)揮雙重功效，實(shí)現(xiàn)生物學(xué)功能的進(jìn)一步優(yōu)化和可調(diào)控。

綜上，本文討論了合成生物學(xué)和納米生物學(xué)的交叉融合以及在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的近期實(shí)踐。一方面，兩者可以互相借鑒對方學(xué)科的特色，以促進(jìn)自身突破性發(fā)展：①納米技術(shù)可以助力應(yīng)對合成生物學(xué)發(fā)展中的一些挑戰(zhàn)，利用納米載體能靶向性地遞送基因線路和基因編輯體系，也可以實(shí)現(xiàn)用外部物理刺激來啟動基因開關(guān)；②合成生物學(xué)基因編輯手段可以改進(jìn)生物源性納米制劑的性能，擴(kuò)展細(xì)胞膜囊泡和工程化細(xì)胞的應(yīng)用場景。另一方面，合成生物學(xué)和納米生物學(xué)的融合可以拓展研發(fā)思路：①以“自下而上”的理念為指導(dǎo)，以核酸、蛋白質(zhì)、無機(jī)材料、有機(jī)聚合物等為材料，構(gòu)筑出模塊化的納米級功能組件，來模擬細(xì)胞功能；②將納米功能元件整合到合成底盤生物模塊中，構(gòu)建納米人工雜合生物系統(tǒng)，結(jié)合兩個學(xué)科的優(yōu)勢，為腫瘤等重大疾病的治療和診斷提出新的策略。

1 納米技術(shù)為合成生物學(xué)的發(fā)展賦能

1.1 納米技術(shù)助力基因線路與基因編輯體系遞送

病毒載體已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于遞送基因線路和CRISPR/Cas9等基因編輯系統(tǒng)，包括腺相關(guān)病毒載體（adeno-associated virus， AAV）［18-21］、腺 病 毒 載 體（adenovirus，AV）［22］和慢病毒載體（lentivirus，LV）［23］等。AAV 所 能 包 封 的 基 因 容 量 有 限（約4.5 kb）；LV 雖然包封基因的容量較大，但易整合到宿主細(xì)胞基因組，可能誘導(dǎo)插入突變；AV 不整合入基因組，但有高免疫原性［24］。病毒載體安全性方面的不確定性制約了其在基因工程中的推廣應(yīng)用，鑒于此，非病毒載體近年來引起了越來越多的關(guān)注。

納米技術(shù)的進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)基因線路和基因編輯系統(tǒng)的多樣化、靶向性遞送和可控性釋放提供更多的選擇。CRISPR/Cas9系統(tǒng)的遞送包括三種策略：遞 送CRISPR/Cas9 的 質(zhì) 粒［25］，遞 送Cas9 mRNA-sgRNA［26］，以及直接打包遞送sgRNA 和Cas9 蛋白［27-28］。非病毒的合成納米載體不僅可以幫助帶負(fù)電的質(zhì)粒DNA、RNA 進(jìn)入細(xì)胞，也使攜帶Cas9等蛋白［29］穿過細(xì)胞膜成為可能。

目前已研發(fā)出的靶向遞送基因和基因編輯系統(tǒng)的納米載體種類涵蓋了有機(jī)載體、無機(jī)載體和生物仿生載體等新型功能化納米載體。

1.1.1 有機(jī)納米載體

脂質(zhì)體、脂質(zhì)納米顆粒（lipid nanoparticles，LNPs）等已經(jīng)被廣泛用作載體來遞送mRNA［30-31］和CRISPR/Cas9 系統(tǒng)。由于核酸攜帶有高密度的負(fù)電荷，陽離子脂質(zhì)體是一種常見的非病毒基因遞送載體［32］。雖然Cas9 蛋白是正電性的，不能直接通過靜電相互作用和陽離子脂質(zhì)體結(jié)合，但Cas9/sgRNA 核糖核蛋白（ribonucleoprotein，RNP）是負(fù)電性的［33］，可以用陽離子脂質(zhì)體裝載遞送Cas9-sgRNA RNP［34］?；诼蚜字?5］等兩性離子脂質(zhì)［36］、可電離脂質(zhì)［37-38］的載體也被用于遞送CRISPR/Cas9 系統(tǒng)，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)涵體逃逸。然而，基因組編輯蛋白的不穩(wěn)定性、較差的膜滲透性和從內(nèi)涵體中釋放的低效率［39］，都對納米遞送載體提出新的要求。對脂質(zhì)進(jìn)行功能化修飾有望提供幫助。比如已經(jīng)報道的含有二硫鍵的生物可還原脂質(zhì)納米顆粒［40-41］可響應(yīng)還原性細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，增加內(nèi)涵體逃逸，實(shí)現(xiàn)mRNA 和Cas9/sgRNA RNP的高效遞送。轉(zhuǎn)鐵蛋白修飾的脂質(zhì)體結(jié)合了腫瘤靶向潛力和優(yōu)異的基因遞送性能，進(jìn)一步拓寬了靶向基因治療的潛力［42］。

傳統(tǒng)的LNPs 由可電離的陽離子脂質(zhì)、兩親性磷脂、膽固醇和聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）-脂質(zhì)組成［43］，改變調(diào)節(jié)脂質(zhì)成分，有望實(shí)現(xiàn)選擇性器官靶向（selective organ targeting，SORT）策略。通過加入不同物質(zhì)的量的SORT 脂質(zhì)（永久陽離子、陰離子、兩性離子和可電離的陽離子等），可以實(shí)現(xiàn)基因和編輯體系的組織特異性遞送（如肺、脾和肝臟靶向）和多樣性遞送（包括mRNA、Cas9 mRNA/sgRNA 和Cas9 RNP 復(fù)合物等形式）［43］［圖1（b）］。

圖1 納米技術(shù)助力基因線路與基因編輯體系遞送Fig.1 Nanotechnology enhances the delivery of gene circuits and gene editing agents

高分子聚合物是另一類常用的基因遞送納米載體。許多陽離子聚合物，如聚乙烯亞胺（polyethylenimine，PEI）［44］、聚賴氨酸［45-46］、聚胺樹枝狀聚合物［47］、聚（β-氨基酯）［48］、聚［2-（二異丙基氨基）甲基丙烯酸乙酯］［49］、聚環(huán)氧丙烷［50］、氟化酸不穩(wěn)定支鏈富羥基聚陽離子［51］、乳糖衍生的支鏈陽離子生物聚合物［52］等都用作CRISPR 系統(tǒng)的納米遞送載體。對聚合物進(jìn)行修飾和組合有助于提高遞送性能。基于陽離子α-螺旋多肽的聚乙二醇化納米顆粒具有較高的膜穿透能力［53］；由含有二亞乙基三胺部分的單體和含有胍基配體的單體共聚得到的聚（二硫化物）可遞送不同形式的CRISPR/Cas9系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遞送目標(biāo)的高效釋放，并且能生物降解，減少細(xì)胞毒性［54］；門控式的嵌段共聚物囊泡也展現(xiàn)出了出色的遞送效率和觸發(fā)響應(yīng)性釋放性能［55］。針對惡性腫瘤的標(biāo)志物基質(zhì)金屬蛋白酶2（matrix metalloproteinase 2， MMP-2），也開發(fā)出了由MMP-2 底物、細(xì)胞穿透肽和外層PEG 功能化的聚合物納米顆粒和膠束，它們在腫瘤部位積累后，由腫瘤過表達(dá)的MMP-2 觸發(fā)降解含MMP-2 底物的外殼，暴露出細(xì)胞穿透肽，提高質(zhì)粒［56］、CRISPR/dCas9［57］和siRNA［58］的腫瘤轉(zhuǎn)染效率。此外，Chen等［59］還開發(fā)出具有核殼納米結(jié)構(gòu)、脂質(zhì)體模板化的水凝膠納米粒子，Li 等［60］用氟化聚合物開發(fā)出多功能、核靶向的核殼結(jié)構(gòu)人工病毒用于基因編輯系統(tǒng)遞送。

相較于其他納米載體，有機(jī)納米載體走在了臨床轉(zhuǎn)化的前列，但也面臨一些挑戰(zhàn)，比如，與其他載體類似，一些載體中攜帶的正電荷會引起細(xì)胞毒性和“蛋白冠”的形成，使得體內(nèi)清除加快［61］。其在體內(nèi)的生物學(xué)命運(yùn)也亟待進(jìn)一步探究和優(yōu)化［62］。

1.1.2 無機(jī)納米載體

金納米粒（gold nanoparticles， GNPs）具有制備可控、易功能化以及較好的生物安全性特征［63］，是基因線路和基因編輯系統(tǒng)的一種潛在的遞送平臺。金納米粒、金納米團(tuán)簇［64］可以將Cas9蛋白-sgRNA 共同遞送到胞內(nèi)［65-67］，具有雙鏈DNA支架和MMP-2可切割肽修飾的金納米籠［68］也可以將siRNA 和化療藥聯(lián)合靶向遞送。Shahbazi 等［69］開發(fā)的一種基于膠體金納米粒子的CRISPR 納米制劑，封裝了所有需要的基因編輯組件，可進(jìn)行同源定向修復(fù)，有望成為不同細(xì)胞或組織中的有效遞送載體。

金納米粒子獨(dú)特的光熱轉(zhuǎn)換性能，使其能夠響應(yīng)外界刺激，用于基因的可控釋放。Wang 等［70］報道一種遞送Cas9-sgRNA質(zhì)粒的脂質(zhì)-金納米顆粒載體。在激光照射下，金納米粒產(chǎn)生光熱效應(yīng)，觸發(fā)釋放細(xì)胞穿膜肽（TAT肽）及其上面靜電吸附的質(zhì)粒，并且TAT 肽-質(zhì)粒復(fù)合物具有進(jìn)入細(xì)胞核編輯目標(biāo)基因的能力，從而實(shí)現(xiàn)激光控制的質(zhì)粒靶向遞送。鑭系元素?fù)诫s的上轉(zhuǎn)換納米粒子（upconversion nanoparticles， UCNPs）也被開發(fā)為光響應(yīng)的Cas9 RNP 復(fù)合物觸發(fā)遞送平臺。UCNPs作為納米傳感器，可以將近紅外（near-infrared，NIR）光轉(zhuǎn)換為紫外光，用于光敏分子的裂解，從而可控釋放CRISPR/Cas9［71］［圖1（c）］。

自組裝納米級金屬-有機(jī)框架（metal organic frameworks，MOFs）作為一類新型的藥物遞送系統(tǒng)，可以封裝并遞送基因［72］和CRISPR/Cas9系統(tǒng)［73］。沸石咪唑骨架（zeolitic imidazolate frameworks， ZIFs）具有多孔結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)胞內(nèi)遞送核酸和蛋白質(zhì)，其通過功能化修飾能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)Cas9-sgRNA RNP的pH 響應(yīng)性［74-75］和ATP 響應(yīng)性［76］釋放。其他無機(jī)材料，如石墨烯氧化物［77］、介孔二氧化硅顆粒［78-79］、黑磷納米片［80］、磷酸鈣［81］等也可介導(dǎo)Cas9 RNP的遞送。

通常，這些無機(jī)材料納米粒子化學(xué)穩(wěn)定性好，但在肝臟和腎臟中易積累，在體內(nèi)難以降解［82］，它們的臨床應(yīng)用因而往往受到毒性和殘留物評價方面的挑戰(zhàn)［83］。

1.1.3 生物仿生納米載體

生物仿生納米材料具有較好的生物相容性，同時具有獨(dú)特的生物學(xué)功能，也被開發(fā)為基因線路等合成生物學(xué)元件的遞送系統(tǒng)。

天然膜衍生的納米囊泡［84］、細(xì)胞外囊泡［85-86］、DNA 納米線球［28］、病毒樣顆粒［87-88］等功能化的生物仿生材料可用于基因及編輯系統(tǒng)的靶向遞送。超聲處理間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSCs）得到的納米囊泡［84］保留了MSCs對多種腫瘤細(xì)胞的表面相關(guān)靶向能力，將編碼治療基因的質(zhì)粒cDNA有效地靶向并且轉(zhuǎn)染多種癌細(xì)胞，顯著延長了荷瘤小鼠的生存期。細(xì)胞外囊泡（外泌體和微泡）及其經(jīng)過嵌合抗原受體修飾、雜合處理等方法改造得到的載體也被用于siRNA［86，89］和CRISPR/Cas9 系統(tǒng)（質(zhì)粒、sgRNA+dCas9 表達(dá)載體、RNP）［85，90-92］的遞送。

自組裝的DNA 納米結(jié)構(gòu)具有生物相容性高、易于設(shè)計等特性。Zhuang 等［93］設(shè)計了連接有DNA 適配體的四面體DNA 納米結(jié)構(gòu)（tetrahedral DNA nanostructures， TDNs），將TDNs 修飾到細(xì)胞外囊泡表面，實(shí)現(xiàn)Cas9 RNP 特異性靶向癌細(xì)胞。Han 等［82］直接用DNA 四面體 納米籠 實(shí) 現(xiàn)siRNA 的遞送。Ren 等［94］設(shè)計一種自組裝寡核苷酸納米載體裝載siRNA 作為“鑰匙”，同時引入兩種與細(xì)胞表面受體結(jié)合的適配體作為“雙鎖”，介導(dǎo)siRNA 精確遞送到特定靶細(xì)胞中。Sun 等［28］通過滾環(huán)擴(kuò)增制得紗線狀的DNA 納米線球［圖1（a）］，與sgRNA 部分互補(bǔ)。載有Cas9/sgRNA復(fù)合物的DNA 納米線球還包被了陽離子聚合物PEI 的涂層，幫助誘導(dǎo)內(nèi)涵體逃逸，可以有效將Cas9/sgRNA 復(fù)合物遞送到細(xì)胞核?；诓《疽職さ姆律{米顆粒也可以幫助CRISPR 系統(tǒng)的遞送。Cas9/sgRNA RNP 能被包裝成病毒樣顆粒［87-88］，實(shí)現(xiàn)高效的基因組編輯并有助于減少脫靶。

生物仿生納米載體的臨床轉(zhuǎn)化也受到一定的挑戰(zhàn)。比如，細(xì)胞膜衍生納米囊泡和細(xì)胞外囊泡等攜帶有供體細(xì)胞的信息，每個制劑的免疫原性和生物相容性需要詳盡評估［95］，放大生產(chǎn)的穩(wěn)定性和批次間均一性也是有待解決的重要問題［96］。

表1 列出了用于基因線路/編輯體系遞送的典型載體。

表1 用于基因線路/編輯體系遞送的典型載體Tab.1 Representative carriers used for delivering gene circuits/genome editing systems

1.2 納米器件作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中介以調(diào)控基因表達(dá)

在合成生物學(xué)中，通過基因線路的設(shè)計實(shí)現(xiàn)基因的受控表達(dá)，有助于發(fā)展出更精準(zhǔn)、智能的藥物治療和基因治療方式。在基因線路中，合成基因開關(guān)能夠接收并處理輸入信號，產(chǎn)生特定的輸出［97］。目前已經(jīng)開發(fā)出多種轉(zhuǎn)錄基因開關(guān)和轉(zhuǎn)錄后基因開關(guān)，可在不同水平上進(jìn)行基因表達(dá)的干預(yù)和調(diào)控［97］。通過內(nèi)部環(huán)境刺激誘導(dǎo)基因開關(guān)的狀態(tài)變化可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)響應(yīng)，但容易導(dǎo)致基因開關(guān)處于不可逆的狀態(tài)［98］。光、聲、熱、磁等外部刺激可以根據(jù)需要而施加，易于操控，但缺乏空間控制的精確特異性［99］。引入納米粒子作為外部信號傳導(dǎo)的載體，可以將光、磁等信號轉(zhuǎn)換為能被基因開關(guān)識別的輸入信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的時空控制。

磁信號可經(jīng)納米粒子轉(zhuǎn)換為熱信號。Tang等［100］報告了一種熱誘導(dǎo)基因表達(dá)系統(tǒng)，在交變磁場下由Mn-Zn 鐵氧體磁性納米粒子產(chǎn)生熱能，用于激活熱誘導(dǎo)基因表達(dá)β-半乳糖苷酶。Ortner等［101］將磁性納米粒子和含有誘導(dǎo)型熱休克啟動子元件的細(xì)胞封裝成可植入膠囊［圖2（a）］，施加外界交變磁場使磁性納米粒子在膠囊內(nèi)產(chǎn)生局部高熱，誘導(dǎo)表達(dá)熒光素酶報告基因，并減少熱量對植入部位其他細(xì)胞的影響。Yamaguchi 等［102］也利用磁鐵礦納米顆粒作為基因開關(guān)，用于癌癥治療。

除了磁、熱信號之間的轉(zhuǎn)換，納米系統(tǒng)還可以聯(lián)系起光、熱信號?；诖?，Lü等［103］開發(fā)了一種吸收NIR 光的樹枝狀半導(dǎo)體聚合物（dendronized semiconducting polymer， DSP），將其作為光熱納米載體［圖2（b）］。由熱休克啟動子調(diào)節(jié)的基因和DSP 形成納米復(fù)合物，在被細(xì)胞內(nèi)化后，基因從復(fù)合物中釋放進(jìn)入細(xì)胞核，留在胞質(zhì)中的DSP 在NIR光照射下產(chǎn)生熱量，刺激熱休克因子單體轉(zhuǎn)變?yōu)槿垠w并易位到細(xì)胞核，與熱休克元件結(jié)合繼而啟動基因表達(dá)。Wang 等［104］則使用光熱響應(yīng)共軛聚合物納米粒子作為傳感器，在NIR 光照射下

圖2 納米器件作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)載體以調(diào)控基因表達(dá)Fig.2 Nanodevices serve as signal transduction carriers to regulate gene expression

以較高的空間和時間分辨率遠(yuǎn)程控制細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)。金納米粒子也可以吸收特定波長光的光能并將其高效地轉(zhuǎn)化為熱能［98，105］。Aratboni 等［98］設(shè)計了構(gòu)象受溫度誘導(dǎo)變化的RNA 溫度計作為基因表達(dá)調(diào)控元件，以金納米粒子作為熱源，用LED光進(jìn)行光熱觸發(fā)生產(chǎn)蛋白質(zhì)。

2 合成生物學(xué)成為助力納米技術(shù)應(yīng)用的新引擎

在合成生物學(xué)構(gòu)筑生物元件、組裝基因線路的需求驅(qū)使下，眾多基因工程工具被開發(fā)出來。運(yùn)用這些工具對自然存在的生命體進(jìn)行改造和編程，可以制造出更精妙的生物源納米制劑。經(jīng)過基因工程化的細(xì)胞膜納米囊泡等表現(xiàn)出更優(yōu)的靶向性和免疫治療能力，在藥物靶向遞送和聯(lián)合免疫治療中具有廣闊的應(yīng)用前景。

天然細(xì)胞或細(xì)胞膜衍生的納米囊泡，如細(xì)胞外囊泡（包括外泌體、小型微囊泡）和細(xì)胞膜衍生納米囊泡［106］，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域頗具應(yīng)用潛力。與體細(xì)胞具有相似膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞膜衍生物容易被識別為“自我”而不易被清除［106］。由于膜蛋白會對納米囊泡的功能產(chǎn)生決定性影響［107］，用合成生物學(xué)手段將細(xì)胞膜納米囊泡修飾上定制的膜蛋白，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

外泌體本質(zhì)上是多泡核內(nèi)體（multivesicular endosomes， MVEs）成熟過程中，由核內(nèi)體膜向內(nèi)出芽而形成的腔內(nèi)囊泡，在MVEs和細(xì)胞表面融合后分泌到細(xì)胞外［108］。相比傳統(tǒng)的納米顆粒，天然外泌體具有豐富的膜蛋白、高生物相容性和低免疫原性，是一種獨(dú)特的納米制劑［109］。通過基因工程方法改造細(xì)胞，可以獲得攜帶治療性分子［如PD-L1（programmed death-ligand 1）［110］、NF-κB抑制劑［111］等］的外泌體。利用工程化外泌體的靶向能力和尺寸效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)高效的疾病治療。Kojima等［112］受合成生物學(xué)啟發(fā)，設(shè)計了一種外泌體生產(chǎn)細(xì)胞，能高效地生產(chǎn)定制化外泌體，包裝并實(shí)現(xiàn)mRNA的腦內(nèi)靶向遞送。Morishita等［113］對B16BL6 腫瘤細(xì)胞進(jìn)行基因工程改造，使細(xì)胞生成的外泌體既含有腫瘤抗原，又容易修飾上免疫刺激性CpG DNA［圖3（a）］，作為腫瘤抗原-佐劑共遞送系統(tǒng)用于癌癥免疫治療。此外，Shi 等［109］開發(fā)了雙重靶向T 細(xì)胞CD3和乳腺癌細(xì)胞HER2受體的外泌體，相比雙特異性抗體而言表現(xiàn)出更好的乳腺癌免疫治療效果，合成多價抗體的重定向外泌體（synthetic multivalent antibodies retargeted exosome，

SMART-Exo）也有望成為下一代免疫納米藥物的平臺技術(shù)。綜上，基因工程化細(xì)胞外泌體可實(shí)現(xiàn)靶向藥物遞送、抗原佐劑呈遞，也可誘導(dǎo)免疫效應(yīng)細(xì)胞和靶細(xì)胞間的相互作用。

小型微囊泡，直接由天然細(xì)胞膜向外出芽形成［108］，可以反映原始細(xì)胞所攜帶的抗原含量［106］。受此啟發(fā)，通過基因工程改造原細(xì)胞，隨后以出芽的方式仿生合成帶有穩(wěn)定高表達(dá)膜蛋白的微囊泡［114］，在智能遞送系統(tǒng)中展現(xiàn)出較大的潛力。病毒抗原、病毒特異性受體和病毒融合蛋白都可以在細(xì)胞膜上工程化過表達(dá)，出芽產(chǎn)生模擬病毒的納米囊泡，用于疫苗呈遞抗原［115］、抗病毒感染［116］以及遞送生物活性的大分子［117］。Zhang等［117］利用水泡性口炎病毒G 蛋白（vesicular stomatitis virus G protein， VSV-G）的融合活性制備可編程的細(xì)胞外囊泡（gectosomes），通過分裂的綠色熒光蛋白（green fluorescent protein， GFP）互補(bǔ)系統(tǒng)來主動裝載生物活性蛋白，減少其他胞內(nèi)蛋白的非特異性封裝，并實(shí)現(xiàn)大分子向細(xì)胞內(nèi)的高效遞送［圖3（b）］。Lü 等［118］通過基因工程手段將靶向配體嵌入到細(xì)胞膜，從供體細(xì)胞衍生出生物工程細(xì)胞膜納米囊泡，可用于遞送溶瘤病毒并使其逃避機(jī)體的先天免疫反應(yīng)，增強(qiáng)對腫瘤細(xì)胞的靶向遞送，為腫瘤病毒療法提供新思路。不僅如此，在細(xì)菌中，革蘭氏陰性菌也從外膜產(chǎn)生細(xì)菌外膜囊泡（outer membrane vesicles，OMVs）［119］。類似前文所述，OMVs 也可以基因工程化后作為疫苗［120］、用于癌細(xì)胞靶向siRNA 遞送［121］和腫瘤免疫治療［122］。如Li 等［122］報告了表面插入PD-1（programmed death-1）的基因工程化OMVs，保護(hù)T 細(xì)胞免受PD1/PD-L1免疫抑制的影響，顯著提高抗腫瘤功效。

細(xì)胞膜通過擠出、超聲等方式獲得的納米囊泡，或?qū)⒓?xì)胞膜包裹在合成核表面制成的納米顆粒，業(yè)已成為人們關(guān)注的仿生治療平臺［123-125］。裝載藥物，或攜帶有靶向受體、抗體的細(xì)胞膜衍生納米囊泡逐漸發(fā)展成為頗具潛力的制劑［126-129］。Zhang等［128］構(gòu)建了表面展示PD-1受體的細(xì)胞膜衍生納米囊泡，并加載了吲哚胺2，3-雙加氧酶（indoleamine 2，3-dioxygenase， IDO）的小分子抑制劑1-甲基-色氨酸（1-methyl-tryptophan，1-MT），在阻斷腫瘤細(xì)胞表面PD-L1 的同時，克服腫瘤細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞（IDO+DCs）過表達(dá)的IDO 對效應(yīng)T細(xì)胞的抑制作用［圖3（c）］。

圖3 基因工程化的生物源納米制劑Fig.3 Genetically engineered biological nano-agents

除了從離體細(xì)胞中獲得仿生納米制劑外，也可以利用細(xì)胞原位釋放亞微米級顆粒的特性開發(fā)先進(jìn)的藥物遞送系統(tǒng)［130］。例如，血小板作為血管損傷的監(jiān)測器，可以積聚到腫瘤手術(shù)傷口［131］，并在原位被激活，釋放出約200 nm 的血小板微粒（platelet microparticles， PMPs）［130，132］。表面綴連PD-L1抗體的血小板被證明能以血小板微粒的形式釋放PD-L1抗體，用于癌癥免疫治療［133-134］。Zhang等［131］對 血 小 板 的 前 體 細(xì) 胞—— 巨 核 細(xì) 胞（megakaryocyte， MK）進(jìn)行基因工程改造以表達(dá)PD-1，并在體外產(chǎn)生表達(dá)PD-1 的成熟血小板。血小板靶向手術(shù)傷口內(nèi)的腫瘤細(xì)胞，激活產(chǎn)生帶有PD-1的PMPs，阻斷腫瘤細(xì)胞的PD-L1，逆轉(zhuǎn)CD8+T細(xì)胞耗竭，從而抑制腫瘤術(shù)后復(fù)發(fā)［圖3（d）］。MK細(xì)胞同樣可以經(jīng)基因編程后過表達(dá)PD-L1，產(chǎn)生免疫抑制性血小板，抑制自身反應(yīng)性T細(xì)胞，用于逆轉(zhuǎn)高血糖非肥胖糖尿病（non-obese diabetic，NOD）小鼠的新發(fā)1型糖尿?。?35］。

利用合成生物學(xué)技術(shù)進(jìn)一步編程仿生系統(tǒng)，可使其能夠主動感知體內(nèi)信號并自主生產(chǎn)納米載體，以應(yīng)對需要持續(xù)給藥治療的疾病，從而能進(jìn)一步拓展納米技術(shù)的應(yīng)用潛力。

3 合成生物學(xué)和納米生物學(xué)融合發(fā)展

3.1 模塊化的納米功能組件

合成生物學(xué)提供了一個定制化的框架來實(shí)現(xiàn)功能化組件的構(gòu)建、組合，并將其封裝成合成生物系統(tǒng)［15］。從工程學(xué)思路出發(fā)，合成生物學(xué)家將復(fù)雜的“系統(tǒng)”分解為獨(dú)立的“設(shè)備”集［3］，提供標(biāo)準(zhǔn)生物功能化組件的工具包，使得它們像搭積木一樣易于建模和組合使用。合成生物學(xué)的模塊化特性與納米載體的構(gòu)筑非常匹配適應(yīng)［136］。核酸、蛋白質(zhì)、有機(jī)聚合物、無機(jī)材料［137］等可以作為建筑材料，自組裝搭建成納米級合成隔室、納米反應(yīng)器等組件［138］。這些模塊化的功能組件不斷擴(kuò)充合成生物系統(tǒng)的工具包，可以用作藥物遞送的仿生控釋載體，甚至構(gòu)建人工細(xì)胞。

對DNA的操縱改造，除了通過DNA重組構(gòu)建起定制化基因線路、使細(xì)胞表現(xiàn)出定制的生物功能之外，也可以將DNA本身用作自組裝構(gòu)建材料。DNA 能以高度嚴(yán)格的堿基配對制造出特定的納米結(jié)構(gòu)［139］。傳統(tǒng)的DNA自組裝主要以小的構(gòu)筑模塊形成大的結(jié)構(gòu)，如拼貼組裝形成的四面體、DNA納米籠等獨(dú)立結(jié)構(gòu)，以及基于DNA 瓦片的無限網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［140］。DNA 折紙的提出為DNA 自組裝引入新的活力，它以一條長的單鏈DNA 為支架，以數(shù)百個定制的短單鏈DNA 為訂書釘來折疊支架形成特定的形狀，表現(xiàn)出更強(qiáng)大的構(gòu)建復(fù)雜、不規(guī)則結(jié) 構(gòu)的能力［141］。通 過DNA 折紙 和DNA 磚塊［142］等技術(shù)構(gòu)建出的框架核酸，具有高度可編程性和可尋址性的優(yōu)勢［143-144］，可以作為藥物智能釋放［145］、疫苗精確接種［146］和生化反應(yīng)［147］的平臺。如Li等［145］通過DNA 折紙構(gòu)建的智能DNA 納米機(jī)器人已經(jīng)被用于精準(zhǔn)藥物遞送，可以將活性凝血酶保護(hù)，精確遞送至腫瘤后再暴露出來。Liu 等［146］開發(fā)的管狀DNA 納米器件疫苗可以有效遞送抗原和佐劑，并在抗原呈遞細(xì)胞的溶酶體內(nèi)響應(yīng)pH而暴露，以激活強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)。為組裝更大尺寸（微米）的DNA 結(jié)構(gòu)，Yao 等［148］開發(fā)了一種六螺旋DNA 折紙束作為元DNA（Meta-DNA）進(jìn)行構(gòu)建，此策略有望用于定位可編程的功能組件。

蛋白質(zhì)也可以自組裝為蛋白質(zhì)納米籠、病毒樣顆粒等結(jié)構(gòu)，用于靶向遞送、疫苗設(shè)計［149-150］和生物傳感［151］。細(xì)菌微區(qū)室是一種自然進(jìn)化的可封裝蛋白質(zhì)，可以用遺傳技術(shù)實(shí)現(xiàn)在細(xì)菌體內(nèi)的封裝，構(gòu)建納米生物反應(yīng)器，模擬細(xì)胞器［152］。脂質(zhì)、聚合物等經(jīng)過定向合成和修飾，也可以構(gòu)筑出仿生的隔室，開發(fā)成一系列生物催化納米反應(yīng)器、觸發(fā)響應(yīng)型納米囊泡等功能組件，從而進(jìn)一步形成仿生細(xì)胞器或藥物遞送系統(tǒng)。Edlinger等［153］將基因工程改造的通道膜孔蛋白引入聚合物囊泡作為生物閥，構(gòu)建一種pH 響應(yīng)性的生物催化納米隔室［圖4（a）］，根據(jù)外部環(huán)境pH 的刺激可逆地開/關(guān)閥門，允許底物分子流入加載酶的隔室而觸發(fā)反應(yīng)。Yu等［154］用缺氧和H2O2雙敏感兩嵌段共聚物自組裝形成的納米囊泡包裝葡萄糖氧化酶和胰島素，可以實(shí)現(xiàn)血糖響應(yīng)型囊泡解離和胰島素釋放。在此基礎(chǔ)上，多室結(jié)構(gòu)“囊泡嵌囊泡”的仿生人工胰島細(xì)胞（artificial beta cells，AβCs）被構(gòu)建出［圖4（b）］，外部大囊泡（outer large vesicle， OLV）模擬質(zhì)膜，內(nèi)部小脂質(zhì)體納米囊泡（inner small liposomal vesicles，ISVs）裝有胰島素模擬成熟β細(xì)胞內(nèi)的儲存顆粒［155］。該系統(tǒng)配備了與葡萄糖相關(guān)的代謝系統(tǒng)，并具有pH 可控的膜融合機(jī)制，作為一種仿生胰島素遞送系統(tǒng)，有效地應(yīng)對高血糖。

除了利用脂質(zhì)、聚合物等合成多隔室囊泡來模擬生命的簡化特征外，無機(jī)材料也可以組裝成納米反應(yīng)器，并模擬在多個連續(xù)的隔室中發(fā)生的酶促級聯(lián)反應(yīng)［156-157］。酶促反應(yīng)的多隔室化是生命體的一個重要特征，它允許細(xì)胞實(shí)現(xiàn)酶促生化反應(yīng)的精密控制與時空分離［158］。在合成實(shí)體中，將酶促級聯(lián)反應(yīng)限制于合成“模塊”中，每個模塊負(fù)責(zé)單獨(dú)的反應(yīng)，模擬交互式級聯(lián)代謝，是合成生物學(xué)構(gòu)建復(fù)雜的人工細(xì)胞的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)［159］。Jo等［159］在油包水型微乳液中，用氨丙基三甲氧基硅烷（aminopropyl trimethoxysilane，APTMS）和酶的偶聯(lián)反應(yīng)以及溶膠-凝膠縮聚反應(yīng)，合成了共價封裝三種酶（β-葡萄糖苷酶、葡萄糖氧化酶和辣根過氧化物酶）的二氧化硅納米粒子，作為酶促納米反應(yīng)器［圖4（c）］，封裝酶的二氧化硅納米粒子進(jìn)一步被限制于乳液的液滴中，組成了多隔室的仿生交互式級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

圖4 模塊化的納米級功能組件Fig.4 Nanoscaled modular functional components

綜上，一系列納米功能組件的構(gòu)建，為整合封裝多種功能模塊，從而模擬復(fù)雜的生命系統(tǒng)創(chuàng)造了眾多機(jī)會［17］。

3.2 納米人工雜合系統(tǒng)

通過納米元件和底盤生物模塊的定向精準(zhǔn)組裝，可構(gòu)建結(jié)構(gòu)和功能可控的納米人工雜合生物系統(tǒng)，包括納米雜合工程化菌株、嵌合抗原受體T細(xì)胞（chimeric antigen receptor T-cell， CAR-T）等。一方面，工程化的底盤生物具有幫助靶向遞送納米藥物的能力；另一方面工程化底盤生物和納米功能元件聯(lián)合，構(gòu)建出體內(nèi)外運(yùn)動行為高度可控的工程化雜合生物系統(tǒng)，能夠發(fā)揮雙重療效，或用于成像和體內(nèi)跟蹤。

3.2.1 “工程化細(xì)菌-納米”雜合系統(tǒng)

一些特定的細(xì)菌可以特異性靶向腫瘤病灶，自驅(qū)動穿透低氧的腫瘤組織［160］，同時顯著減少對正常組織的損傷。基于其獨(dú)特的能力，可以將細(xì)菌作為一種理想的抗癌制劑。由于細(xì)菌的基因已經(jīng)很容易被操縱，通過合成生物學(xué)方法改造，產(chǎn)生能自主推進(jìn)、響應(yīng)外界信號、感知局部環(huán)境并可以從外部檢測到的工程化細(xì)菌，成為一種備受關(guān)注的腫瘤治療策略［161-163］。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，將細(xì)菌療法、合成生物學(xué)技術(shù)和納米技術(shù)交叉融合，構(gòu)筑的功能集成的“工程化細(xì)菌-納米”雜合系統(tǒng)，可以用于腫瘤精準(zhǔn)治療：一方面，工程化細(xì)菌可以高效、靶向、可控地運(yùn)輸納米藥物［164］，或?qū)崿F(xiàn)腫瘤可視化生物成像［165］；另一方面，納米顆粒改性的工程菌可以作為生化反應(yīng)平臺，實(shí)現(xiàn)不同腫瘤療法的聯(lián)合［166］。

納米藥物治療癌癥的療效與藥物在腫瘤內(nèi)分散的濃度有關(guān)。納米顆粒全身給藥后向腫瘤的遞送、納米治療藥物在腫瘤內(nèi)的血管外轉(zhuǎn)運(yùn)會受到一些物理和生物屏障的限制，腫瘤微血管網(wǎng)絡(luò)高度不規(guī)則的結(jié)構(gòu)、腫瘤內(nèi)較高的間質(zhì)液壓力等阻礙了納米載體的被動擴(kuò)散，進(jìn)而阻礙了對腫瘤的治療［167-168］。細(xì)菌能在瘤內(nèi)滲透，可以被用來將納米治療藥物特異性靶向腫瘤，并有效地輸送到難以從循環(huán)進(jìn)入的部位［168］；經(jīng)過改造的趨磁性細(xì)菌可在外界控制下進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在瘤內(nèi)的定向遷移［162］。細(xì)菌的深層組織穿透性，還助力腫瘤定位和成像技術(shù)的拓展。由于人體組織對光的高度屏障作用，常用的光學(xué)成像技術(shù)在深部組織中應(yīng)用的性能不佳。Bourdeau等［165］在細(xì)菌中引入編碼納米氣體囊泡的工程基因簇，作為超聲波的報告基因，可進(jìn)行超聲造影［圖5（b）］，提供了一種在哺乳動物體內(nèi)深處可視化的方法，有望促進(jìn)腫瘤診斷和治療的發(fā)展。表2 列出了代表性的工程化細(xì)菌-納米組件雜合系統(tǒng)。

表2 代表性的工程化細(xì)菌-納米組件雜合系統(tǒng)Tab.2 Representative hybrid systems of engineered bacteria and nanocomponents

圖5 納米人工雜合系統(tǒng)Fig.5 Biological chassis hybrid systems engineered at nanoscale

以細(xì)菌為平臺還能匯聚多種腫瘤治療策略。工程化細(xì)菌經(jīng)過納米顆粒雜合修飾后，可以完成光、熱信號轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)［169］、光控細(xì)菌代謝物療法［161］、光熱療法［160］、光動力療法［166］等的聯(lián)合。Fan 等［169］用質(zhì)粒構(gòu)建了具有呼吸鏈酶Ⅱ（NDH-Ⅱ）過表達(dá)的大腸桿菌，并在表面修飾磁性Fe3O4納米粒子，實(shí)現(xiàn)在原位催化Fenton 樣反應(yīng)［圖5（a）］，產(chǎn)生過氧化氫誘導(dǎo)腫瘤死亡。Chen等［160］開發(fā)了載有吲哚菁綠（indocyanine green，ICG）的納米粒子作為納米光敏劑，利用基因工程化鼠傷寒沙門氏菌YB1 的缺氧靶向能力將納米粒子遞送入腫瘤缺氧核心，在NIR 激光照射下實(shí)現(xiàn)高效光熱治療。Deng 等［166］改造了表達(dá)過氧化氫酶的大腸桿菌，結(jié)合聚多巴胺的光熱轉(zhuǎn)換能力和二氫卟酚e6（chlorin e6，Ce6）的光敏作用，實(shí)現(xiàn)細(xì)菌的腫瘤靶向和光熱療法、光動力療法的聯(lián)合。

3.2.2 “CAR-T細(xì)胞-納米”雜合系統(tǒng)

在工程化細(xì)胞領(lǐng)域，T 細(xì)胞經(jīng)過基因工程改造得到的CAR-T 細(xì)胞，為癌癥免疫治療帶來了新的活力［171］。雖然CD19 特異性CAR-T 細(xì)胞已經(jīng)被美國FDA 批 準(zhǔn) 用 于 治 療B 細(xì) 胞 惡 性 腫 瘤［172］，但CAR-T 在對實(shí)體瘤的治療上遇到了重重阻礙：對實(shí)體瘤較低的浸潤效率、腫瘤中存在的大量免疫抑制性細(xì)胞以及細(xì)胞因子等形成的免疫抑制性微環(huán)境［171］。功能性納米材料為增強(qiáng)CAR-T 細(xì)胞對實(shí)體瘤的治療效能提供新的思路，將納米材料與CAR-T細(xì)胞雜合構(gòu)建的生物系統(tǒng)，可以促進(jìn)CAR-T在實(shí)體瘤中的浸潤，提高腫瘤殺傷的療效；也用于成像技術(shù)，跟蹤檢測CAR-T的組織分布和去向。

載有治療藥物、佐劑的納米載體雜合到CAR-T細(xì)胞表面，能將輔助藥物遞送和T 細(xì)胞活化相偶聯(lián)，增強(qiáng)CAR-T 細(xì)胞的腫瘤治療效力。Tang 等［173］將裝載大量人IL-15 超激動劑（huamn interleukin-15 superagonist， IL-15Sa）的蛋白質(zhì)納米凝膠結(jié)合到CAR-T 細(xì)胞表面［圖5（c）］。形成納米凝膠所需要的交聯(lián)劑為含二硫化物的雙-N-羥基琥珀酰亞胺（disulphide-containing bis-N-hydroxy succinimide，

NHS-SS-NHS），當(dāng)T 細(xì)胞被激活時，細(xì)胞表面的氧化還原活性增加，觸發(fā)NHS-SS-NHS 交聯(lián)劑響應(yīng)還原條件而斷裂，釋放IL-15Sa。相比游離IL-15Sa 全身性給藥用作佐劑而言，負(fù)載IL-15Sa 納米凝膠的CAR-T 細(xì)胞具有更強(qiáng)的治療潛力，實(shí)現(xiàn)人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤清除率的顯著增加，同時也可提高IL-15Sa的安全給藥劑量。帶有響應(yīng)性PD-1抗體的磁性納米團(tuán)簇［174］、含有藥物阿伐麥布的脂質(zhì)體［175］、載有阿霉素的聚合物納米顆粒［176］、裝載A2a 腺苷受體拮抗劑的交聯(lián)多層脂質(zhì)體囊泡［177］等也被開發(fā)連接到CAR-T 表面，以發(fā)揮治療藥物和過繼性T細(xì)胞的雙重療效。Chen等［178］將納米粒子介導(dǎo)的光熱療法和CAR-T 相聯(lián)合，腫瘤的光熱消融及釋放的腫瘤特異性抗原可以增強(qiáng)CAR-T 細(xì)胞的腫瘤浸潤和活化。Hu 等［179］還用微納材料協(xié)同遞送CAR-T 細(xì)胞、負(fù)載保持CAR-T 活性和增殖能力的細(xì)胞因子的納米顆粒以及PD-L1 抗體，增強(qiáng)CAR-T治療實(shí)體瘤的療效。

在成像平臺技術(shù)方面，Harmsen等［180］使用正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission tomography，PET）和近紅外熒光（near infrared fluorescent，NIRF）雙模式的納米顆粒來標(biāo)記CAR-T，可以高靈敏度地實(shí)現(xiàn)PET/NIRF成像［圖5（d）］，實(shí)現(xiàn)過繼細(xì)胞轉(zhuǎn)移后長達(dá)一周的全身跟蹤，對評估CAR-T在體內(nèi)的分布、優(yōu)化CAR-T療法具有指導(dǎo)作用。

4 總結(jié)與展望

近些年，合成生物學(xué)和納米生物學(xué)的學(xué)科交叉與融合取得了顯著的進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下四個方面：①納米遞送載體因其易功能化、靶向性等特點(diǎn)極大地提高了基因線路以及基因編輯體系的體內(nèi)遞送效率；納米材料作為信號控制與轉(zhuǎn)導(dǎo)的開關(guān)，為合成基因線路的調(diào)控提供了豐富的選擇。②在合成生物學(xué)編輯技術(shù)的助力下，生物源納米制劑可被基因工程化改造，多功能的生物源納米制劑作為聯(lián)合治療平臺的潛力被發(fā)掘。③在合成生物學(xué)“自下而上”構(gòu)建合成生物系統(tǒng)的思路指引下，以無機(jī)、有機(jī)和生物材料搭建成眾多的納米功能組件，可以模塊化地應(yīng)用，組裝成定制化的生物系統(tǒng)。④將納米元件和合成生物學(xué)改造的底盤生物模塊雜化形成的納米人工雜合系統(tǒng)，可以響應(yīng)外在物理信號和體內(nèi)生化信號，實(shí)現(xiàn)時空控制或自主靶向驅(qū)動，發(fā)展出聯(lián)合療法和成像診斷的新工具。

綜上所述，本文重點(diǎn)闡述了交叉融合的合成生物學(xué)和納米生物學(xué)的最新發(fā)展，特別是在基因編輯、藥物遞送以及醫(yī)學(xué)成像等生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用?；ハ嘟徊娌⒒ハ噘x能的合成生物學(xué)和納米生物學(xué)奠定并形成了一個潛力巨大的學(xué)科增長極。

對于納米生物學(xué)和合成生物學(xué)來說，一個學(xué)科的進(jìn)步將給另一個學(xué)科產(chǎn)生新的工具、帶來新的啟發(fā)。隨著納米技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，一系列納米級元件可能用作催化劑、傳感器和遞送載體等，更精妙地實(shí)現(xiàn)基因線路的構(gòu)建、基因線路的開關(guān)調(diào)控，以及在體基因編輯改造的完成。合成生物學(xué)可根據(jù)人類意愿構(gòu)建出特定的生物分子或生態(tài)系統(tǒng)，自主生產(chǎn)納米材料和生成納米制劑，實(shí)現(xiàn)納米制劑的增效減毒。

仿生化是納米生物學(xué)和合成生物學(xué)趨同的一個重要標(biāo)志［181］，也是該領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向。向自然模擬和從自然啟發(fā)，可以用合成生物可持續(xù)性地生產(chǎn)仿生制劑，直接用于體內(nèi)疾病治療；抑或通過納米功能組件的模塊化自組裝，開發(fā)出功能集成的納米合成生物系統(tǒng)，進(jìn)一步構(gòu)建智能化的仿生生物系統(tǒng)，用作疾病智能診斷和精準(zhǔn)治療的一體化平臺。

合成生物學(xué)和納米生物學(xué)未來的融合發(fā)展可能會特別注重如何實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。標(biāo)準(zhǔn)化是納米裝置實(shí)施構(gòu)建和易于操作的基礎(chǔ)［136］。生物元件的模塊化是合成生物學(xué)的一個普適性假設(shè)［182］。設(shè)計出標(biāo)準(zhǔn)化的合成通用接口和調(diào)控元件，實(shí)現(xiàn)功能模塊的定向集成，可以規(guī)?；瘶?gòu)建納米合成生物系統(tǒng)。同時，結(jié)合多模態(tài)成像技術(shù)、熒光共振能量轉(zhuǎn)移、多組學(xué)分析等多學(xué)科方法，分析技術(shù)亟待發(fā)展以用于納米合成生物系統(tǒng)的在體監(jiān)測與評價。合成納米生物制劑的生物分布、對非靶向組織的影響以及代謝歸宿也應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究揭示，為其臨床轉(zhuǎn)化和規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

可以預(yù)見，在合成生物學(xué)和納米生物學(xué)的共同驅(qū)動下，二者將持續(xù)深度融合發(fā)展，協(xié)調(diào)推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的迭代和升級。