醫學

醫療變形細菌

合成生物學家以電子線路的概念改造有害細菌的DNA,取代傳統生化藥物,成為新一代醫療利器。

撰文/瓦德霍玆(Michael Waldholz)
翻譯/林雅玲

醫學

醫療變形細菌

合成生物學家以電子線路的概念改造有害細菌的DNA,取代傳統生化藥物,成為新一代醫療利器。

撰文/瓦德霍玆(Michael Waldholz)
翻譯/林雅玲


再過幾個月,一小群罹患嚴重疾病的受試者將服用數十億個能吞食毒素的生物機器,以測試新型的疾病療法。新生物機器並非由金屬、電線或塑膠零件製成的機器,而是以生醫工程技術改造、能執行複雜醫療程序的生物──細菌。


美國麻州的生物科技新創公司Synlogic的研究人員,將讓受試病人每日服用內含數十億個大腸桿菌(Escherichia coli)的膠囊或藥水。這種微生物在我們腸道相當活躍,偶爾會引起感染,但通常與我們和平共處。全新打造的大腸桿菌不同之處,在於科學家修改了大腸桿菌的DNA,讓這些微小細菌變成一種生物機器,能持續吞食患者身體裡累積的有毒分子:氨。


罹患尿素循環代謝異常(urea cycle disorder, UCD)的病患,遺傳了帶有缺陷的基因,身體製造出的酵素有缺陷,無法分解高蛋白食物(例如肉類、雞蛋和乳酪)中的氮。正常肝臟酵素會把過量的氮轉化為尿素,隨著尿液排出體外;然而UCD患者的肝臟酵素無法分解體內的氮,堆在體內的氮產生有毒的氨在血液中循環,對大腦造成嚴重破壞。


原本腸道細菌就會攝取少量氨,運用其中的氮做為生長所需的養份。科學家透過新式基因工程技術讓微生物帶有新的「基因線路」(genetic circuit)︰把一系列的基因和調節基因的DNA片段連結在一起,宛如電子產品中的電晶體,能夠調控並開關基因。科學家把這種基因線路嵌入大腸桿菌的基因組,取代原本緩慢消耗氨的機制;帶有強化基因組的大腸桿菌一旦偵測到低氧環境(例如人類腸道),便會啟動大量消耗氨的模式。


Synlogic的基因修飾細菌在小鼠實驗中測試成功,如果它們也能吞噬人體裡的氨,那麼UCD患者每日服用這種細菌配方,也許就能終生不再發病。強化版基因修飾細菌有機會治癒這種嚴重的遺傳疾病,每年美國有100多名新的UCD患者確診,目前還沒有適當的醫療方法。Synlogic首席科學主管米勒(Paul Miller)說:「我們以全新微生物療法彌補患者缺失的生理功能,這種療法相當驚人且成效優良。」Synlogic公司正針對更常見的疾病包括躁性大腸症候群(IBD)、發炎、免疫疾病甚至癌症,設計類似的微生物基因線路。


基因經過改造的細菌比傳統藥物更有關鍵優勢,因為一般藥物是由化學物質組成,醫生唯一能調整的是劑量;而在微生物療法中,醫師能微調細菌的基因線路以增強治療效力,或調控細菌活化的時間,而且它們也具有關閉的功能,所以更加安全。細菌能感知和反應所處環境,因此可以設計基因經過改造的細菌,使其到達病灶部位再釋出治療藥物,這種選擇性標的功能可避開傳統藥物作用於全身所帶來的副作用。


基因修飾的細菌在人體內也有自我繁殖的能力,傳統藥物無法做到這點。當然這些微生物必須通過安全測試,研究人員也認同必須證明這些帶有強化基因的微生物不會排出人體而危害環境。美國食品及藥物管理局(FDA)已核准Synlogic公司於今年進行人體試驗,因為他們在UCD療法中使用的大腸桿菌菌株,之前已認定安全並且用來當做治療IBD的口服益生菌。如果完成人體試驗,該公司的微生物基因療法將成為基因工程學的新分支「合成生物學」在臨床應用上的首例。


合成生物學的興起


合成生物學的發展有賴科學家操控DNA的技術進展過程,這些新的實驗技術讓科學家把多種DNA片段連接起來,製造出比單純改變一個基因更強大的效果。美國麻省理工學院(MIT)醫學工程學教授、合成生物學領域的先驅柯林斯(James Collins)表示:「合成生物學已經展現出一些令人刮目相看的成果。」例如比起傳統糖尿病療法,患者每天得注射胰島素,微生物療法因帶有強化的DNA線路,能更精準地把胰島素送入糖尿病患者的血液。科學家也重新改造會導致食物中毒的沙門氏菌(Salmonella)DNA,讓它們在靠近癌細胞時釋出抗癌藥物。裝配DNA線路的微生物也可用來診斷疾病:最近波士頓的研究人員改造一種微生物,能在住院病患血液出現早期敗血症感染時即時示警,現有的檢驗方法難以偵測這個問題,常會拖到患者情況更嚴重、更難治療時才發覺。


合成生物學的這門新技術具有革命性潛力,不僅針對細菌等微生物,對人體醫療也是。加州大學舊金山分校系統與合成生物學中心的主任林行健(Wendell Lim)說:「生物醫學是醫療新革命的起點,微生物和人類細胞逐漸轉變為多功能的治療引擎。」然而現實情況並非總是那麼美好。

過去40年科學家運用遺傳工程來了解並操縱基因,揭開控制生命的複雜機制,但是科學家並不清楚現實情況中不同基因如何結合在一起共同運作。在實驗室試管中看起來不錯的成品,在真實的細胞或動物體內卻分解了,柯林斯也承認合成生物學剛起步時,有很多實驗設計屬於不實宣傳的炒作。但他和志同道合的生物學家從17年前開始,受惠於DNA定序和合成技術的進展,一直使用新發現的基因和其他DNA部件做為可互換的組件,設計並開發出可在生物體內運作的應用療法。

改變的動力有一部份來自科學家,因為這些研究人員大多是工程師出身,領導加州大學聖地牙哥分校生物線路研究所的科學家哈斯提(Jeff Hasty)說:「過去幾年我們的一些新想法趨於一致,推動了這領域的發展。」哈斯提擁有物理學博士學位,20年前展開他的合成生物學研究生涯,他開玩笑描述現在的他,就像是「計算生物學和分子生物學的混血兒」。合成生物學領域聚集很多類似哈斯提這樣的科學家,他們擁戴工程師實做的精神。柯林斯說:「就像很多電機工程師使用導體、電阻器和電容器來打造新的電子設備,我們把生物的基因、蛋白質、RNA、轉錄因子和其他DNA部件組合在一起,打造特定功能。」

柯林斯提到,若想要了解微生物基因線路的核心概念,可利用電子產品來類比:想像一台空調恆溫器,它能偵測熱空氣的輸入(input),也能開啟空調系統做為輸出(output),當環境的氣溫下降,恆溫器就會關閉空調系統。單細胞微生物(例如細菌)就是以類似的方式存活,當出現輸入訊號(競爭微生物)時,細菌則做出「輸出」反應,分泌天然抗生素以殺死敵人。


打造基因線路

合成生物學家建構基因線路的方法,源於柯林斯和另一個研究團隊多年前碰巧提出的相似創見。2000年1月,任職於波士頓大學的柯林斯領導的實驗室,在《自然》上發表一種「基因開關」,同份刊物也報導普林斯頓大學研究團隊的合成基因線絡。

這兩份論文被視為合成生物學的濫觴,柯林斯提到這兩篇文章不約而同指出:「我們能取出細胞的一部份並連結起來,就像工程師那樣創造新的電路。」當時柯林斯確實被線路圍繞,因為他正領導為殘障者設計機械義肢的生物工程實驗室。

目前柯林斯在麻州劍橋地區三個不同的合成生物學研究機構工作,他已培育了將近20名合成生物學家,其中哈斯提已擁有自己的研究團隊。

DNA開關問世後的幾年裡,當時仍然很小眾的合成生物學社群進入白熱化的競爭階段,競相利用細胞本身與生俱來的偵測和反應行為建構出越來越複雜的線路。林行健說:「我們經歷這一切,才了解細胞比我們原先想像的更加多才多藝。」他把細胞描述為可調整的「汽車底盤」,研究人員可放進不同的基因發動機來執行醫療功能。2006年,加州大學柏克萊分校化學家克斯林(Jay Keasling)的研究團隊首度推出商業應用。當時克斯林領導的實驗室接受比爾蓋茲夫婦基金會資助的4260萬美元,利用人工設計的基因線路改造烘焙用酵母菌的代謝途徑,使它們能轉化糖分子為瘧疾藥物青蒿素的關鍵成份。

過去製造青蒿素的前驅分子得從亞洲青蒿以人工萃取出來,這種昂貴的程序使得藥物成本太高而無法用於瘧疾猖獗的貧窮地區。柯林斯說:「這是巨大突破,科學家首度運用完整的基因網絡,改變過去一個一個基因慢慢來的方式,把酵母菌轉化為解決現實世界重大流行疾病的解藥。」

美夢變噩夢

然而,這個創舉並沒有引發革命。當時著名的基因組科學家凡特(J. Craig Venter)加入了合成生物學的競技場(他也是合成基因組公司的創辦人之一),成為該技術的第一位明星。他在2009年獲得艾克森美孚石油公司高達三億美元的資助,用來完成他鼓吹的研究目標:利用池塘綠藻製造汽油;2010年,克斯林獲得美國能源部(DOE)1億3400萬美元的資助,計畫讓酵母菌從含糖植物的化學物質合成柴油。2000年代初期,克斯林也共同創辦了艾美利斯生技公司,這家公司的目標是推出替代燃料的商業技術。

最終,這兩項計畫都留給合成生物學莫須有的污名,四年後,艾克森美孚和凡特(以及艾美利斯生技公司)基本上都放棄了合成石油計畫。與目前低價的石油和天然氣相比,擴大微生物生產石油所需的商業成本迫使艾美利斯和其他一些新創公司暫停相關計畫,這些公司成為投資者的噩夢。

艾美利斯和幾家在2005~2010年創辦的合成生物技術公司起初承諾要推出微生物製石油,也持續在生物線路設計方面取得顯著進展,但新的基因線路並未廣泛受到青睞。相反地,這些只紅過一次的合成生物學搖滾明星重新打造微生物,成為用來製造溶劑、潤滑劑和其他產品的主要成份,包括化妝品、香料、洗滌劑和成藥。

當華爾街的投資者和科技媒體大多關注微生物製造燃料的夢想,以及夢想破滅後的現實,柯林斯和同事在21世紀的第一個10年,默默為了即將來臨的「更優良療法」著手解決技術障礙。經過多年繁瑣的試驗,柯林斯在2010年改造出一種細菌,在實驗室測試時能讓抗藥性細菌變虛弱,使抗生素仍可發揮藥效。

大約在同一時間,柯林斯培育的另一名博士後研究員盧冠達(他擁有MIT電機和資訊工程博士學位以及哈佛大學醫學學位),把基因線路嵌進一種不同類型的微生物──能感染細菌的病毒(也稱為噬菌體)。有些難以治療的細菌感染是因為細菌形成的菌落外覆有黏滯的保護性生物薄膜(biofilm),細菌可能是為了防止病毒的侵犯而演化出生物薄膜。

盧冠達安裝在病毒的線路裝配了一種基因,這個基因能製造出分解生物薄膜的酵素。盧冠達的基因線路還能讓病毒偵測到生物薄膜,隨後突破防禦並釋出破壞生物薄膜的酵素。

盧冠達和柯林斯明白他們研發的病毒可能需要好幾年的改進才能臻於完美,但他們也認為自己研發的另一種細菌也許很快就有商業用途。在2013年的一次聚會中,柯林斯和盧冠達告訴Atlas Venture生技創投公司,他們實驗室開發出基因強化的微生物,能做為活性偵測器,用於早期檢測人體疾病,或是檢驗空氣或水中的污染物質。
精巧設計新增用途

不過,Atlas Venture高層對另一個概念比較有興趣:如果改造的細菌不僅可充當巡邏員,還能在偵測到人類腸道內的問題後進行治療,這商業利潤當然更為可觀。於是,以實現這個理想為目標的Synlogic公司誕生了;2015年初,大約在聘請第一批研究人員的六個月後,Synlogic就根據柯林斯和盧冠達的發明開發出UCD療法的初始版本。Synlogic的顧問喬里拉(Bharatt Chowrira)說:「我在製藥行業很久了,但從沒見過開發某種藥物從科學家的最初想法到完成臨床試驗,只花費這麼短的時間。」

改造細菌基因線路做為醫療策略的概念相當高明,是幾十年來生物學家研究大腸桿菌的成果應用。細菌的生長機制是從氨獲取氮源,Synlogic透過基因線路改造細菌成為生產精胺酸(arginine,一種胺基酸)的工廠。研究人員選擇精胺酸是因為比起其他胺基酸,細胞製造精胺酸需要用到更多的氮。因為細菌必須不斷取得氮來製造精胺酸,使得細菌成為吞噬氨的機器。Synlogic公司的執行長古提亞瑞茲-拉莫斯(Jose-Carlos Gutierrez-Ramos)提到,具有這種基因線路的細菌,能產生「比正常菌株多5000倍的精胺酸」。

這種基因線路的開關是一段DNA序列,透過一種名為FNR的蛋白質啟動開關。就像空調恆溫器一樣,FNR對於細菌周圍環境的變化相當敏感,一旦大腸桿菌在缺氧環境中下,FNR便能產生反應。當FNR偵測到細菌處於低氧環境(例如大腸裡),FNR會活化細菌繁殖所需的基因;當細菌移動到人體外富含大量氧氣的環境,FNR就停止作用,這種安全機制能防止微生物失控快速生長。一旦微生物隨著糞便離開腸道進入高氧環境,整個基因線路系統就會關閉,大腸桿菌便死亡。

然而,米勒提到其中一個問題︰大腸桿菌的基因組內具有argR的基因做為「抑制子開關」(repressor switch),當它偵測到細菌擁有足夠精胺酸時,會關閉生產機制。因此,研發人員需要在線路中加入停用argR的機制,他們利用一段長度相等但不含有argR基因的DNA片段取代argR基因與其周圍的DNA序列,藉此移除argR的作用。

還有幾名合成生物學家開發出其他基因線路,可把抗癌藥物送到腫瘤深處。哈斯提在一種對人類無害的沙門氏菌菌株中嵌入一套特殊的遺傳指令,這項實驗性抗癌療法採用最新的研究發現,即有些細菌常常出現在腫瘤內部。科學家相信(但還不確定)原本在血液中循環的細菌會被吸引到腫瘤,哈斯提表示,這可能是「因為腫瘤提供了細菌躲避免疫系統偵察的安全避難所」。

哈斯提設計的抗癌療法迫使沙門氏菌進行兩道程序︰首先,基因線路會讓細菌製造抗癌藥物並儲存於內部;隨後細菌經由血液進入腫瘤內部(腫瘤從血液獲得養份)。在某個時刻,基因線路會指示沙門氏菌自我摧毀,細菌破裂便釋出治療藥物。哈斯提說:「這項任務就好像是自殺攻擊。」

哈斯提還有另一種巧奪天工的設計,他添加了幾個基因組件讓細菌療法可以重新啟動。他說:「我們引進『數量感應』(quorum-sensing)系統至細菌體內,讓腫瘤內的沙門氏菌可以偵測整個族群是否達到一定數量。」當細菌繁殖到足夠高的密度時,數量感應感測器會觸發沙門氏菌內部釋出由內而外裂解細菌的蛋白質,並進一步釋出抗癌藥物。這種自殺行為會殺死大多數沙門氏菌,但會留下部份細菌。剩餘的細菌則再次啟動繁殖,一次次驅動這種循環。

由腫瘤內部啟動攻擊的概念特別具有吸引力,因為大多數化療藥物是從腫瘤外部開始運作。哈斯提提到,在小鼠研究中單獨使用細菌治療並沒有比標準化療效果更好,不過聯合兩種療法時,「我們發現罹患轉移癌的小鼠腫瘤縮小了,而且預期壽命增加了50%。」

新領域.新法規.新應用

研發人員仍持續改善沙門氏菌療法,而Synlogic的UCD療法還有很長的路要走,FDA的核准程序也正在進行,他們會仔細審查這種首次以基因修飾微生物為核心的療法;FDA已頒佈了新的管理類別「活體生物治療產品」與法規,來規範微生物療法。與其他藥物不同(除了一些疫苗),新療法由活體生物組成,因此可能在繁殖過程出現突變,FDA希望申請者能確認不同批次的治療性微生物不會出現變異;此外,FDA也希望證實這些微生物如Synlogic所宣稱,無法在人體外的環境中生存。哈斯提說:「我們也在觀察FDA如何處理Synlogic的案例,如果細菌療法無法獲得FDA核准,合成生物療法的發展可能會陷入僵局。」

用於檢測疾病而不會在人體製造新化合物的基因修飾細菌檢測法,可能會更快通過FDA的審核程序,它比起基因修飾細菌療法的價位也更便宜。許多新興的合成生物學計畫的目標是重塑細菌以診斷早期疾病,哈佛大學系統生物學研究所的創辦人之一席佛(Pamela Silver)說:「研究人員能把腸道細菌設計成可以偵測、記憶並輸出它們進出腸道的過程。席佛的實驗室開創了一套由基因線路組成的檢測工具,證實能讓細菌識別小鼠消化系統裡是否有抗生素;如果消化系統裡出現活性抗生素,該基因線路會讓小鼠糞便發出螢光信號。

席佛說:「合成基因線路證實我們有能力打造活的檢測系統,在這一案例中,可以檢測抗生素的存在。」最終目標是使用這項技術來偵測腸道內潛在的疾病跡象,她說:「人類腸道是個難以探索的幽暗之處,但會影響日常健康和疾病狀態,其中最為普遍的是發炎反應。」目前消化道疾病的檢測方法是採用侵入式工具,而且價格昂貴。席佛認為微生物診斷提供更便宜且靈敏的工具,一旦通過FDA審查,也可添加新功能。她說:「我們相信可改造檢測型基因線路,使其得以治療腸道疾病的發炎部位。嶄新的基因線路正展現創造各種可能性的巨大潛力。」

更多相關文章

2017年11月189期減重不能只算熱量 雜誌訂閱

本期最新文章