《每日科學》2011年9月1日報道——由瑞士聯(lián)邦理工學院(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“計算機”診斷網(wǎng)絡(luò)導入人類細胞,。該網(wǎng)絡(luò)有識別某些腫瘤細胞的能力,,利用五種腫瘤特異性分子因子的邏輯組合,進而觸發(fā)腫瘤細胞毀滅過程,。
開發(fā)活體細胞內(nèi)運作的生物電腦,,是ETH蘇黎世分院合成生物學教授Yaakov (Kobi) Benenson孜孜以求的目標,,其職業(yè)生涯的大部分時間都傾注于此。他想建立既能偵測細胞生存狀況,、又能在細胞異常時對相應(yīng)信息進行處理以提供合適的治療響應(yīng)的生物微機,。目前,通過與麻省理工教授Ron Weiss以及團隊成員(包括博士后學者Zhen Xie 與 Liliana Wroblewska,、博士生Laura Prochazka)合作,,他向這一目標邁出了重大一步。
這一研究成果已發(fā)表于《Science》(見本文所附參考文獻),,論文介紹了一種多基因合成“電路”,;此電路負責鑒別正常細胞與腫瘤細胞、繼而進一步摧毀腫瘤細胞,。其工作方式是:對細胞內(nèi)五種腫瘤特異性分子因子及其出現(xiàn)頻率進行抽樣與綜合,;只有當所有這些因子在細胞內(nèi)同時出現(xiàn)時,該電路才會作出正識別響應(yīng),。這種方式使得偵測腫瘤的準確率非常高,。研究者希望這一成果能夠為高特異性抗癌治療奠定基礎(chǔ)。
對腫瘤細胞的選擇性破壞
本研究對實驗室培養(yǎng)的兩種類型人類細胞進行了基因網(wǎng)絡(luò)測試:海拉細胞(子宮頸癌細胞)與正常細胞,。當基因生物微機被導入這兩種不同的細胞類型時,,只有海拉細胞被摧毀,而正常細胞則安然無恙,。
當然,,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,,終于確認其中一個miRNA組合(或者說“可識別屬性”)只有海拉細胞才有,,其它健康細胞類型內(nèi)則不存在。
發(fā)現(xiàn)這種可識別屬性是一項頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù),。人體內(nèi)既存在250種不同的健康細胞類型,,此外也存在為數(shù)眾多的腫瘤細胞的變異型(其中數(shù)百種可作實驗室培養(yǎng))。但miRNA多樣性則更是不讓須眉花樣繁多,,人類細胞中已得以描述的即達500到1000不同種類,。Benenson指出:“每種健康或病損細胞類型都有其不同的miRNA分子處于開放或關(guān)閉狀態(tài)。”
可識別腫瘤屬性中的五種因子
確立一種miRNA“可識別屬性”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到ETH后,,研究小組找到了幾種因子,,可由此可靠地將海拉細胞從所有其它健康細胞中鑒別出;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))就足以將海拉細胞從其混跡的健康細胞中揪出來。
與微機運作相似的網(wǎng)絡(luò)
Benenson介紹說:“這些miRNA因子在細胞內(nèi)進行邏輯代數(shù)運算,;該生物微機運用諸如'與’與'非’等邏輯操作將這些因子進行組合,,并且,當全部因子的整體運算結(jié)果為邏輯'真’值時,,只產(chǎn)生所需要的結(jié)果——那就是細胞死亡,。” 確實,研究者已經(jīng)能夠顯示該網(wǎng)絡(luò)在活體細胞內(nèi)可以非常穩(wěn)定地運作,,可正確組合所有細胞內(nèi)因子并給出正確的診斷,。Benenson認為,這一成果代表該領(lǐng)域的一項重大成就,。
動物模型與基因療法
該研究小組想在下一步在合適的動物模型上測試該細胞計算方法,,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)爰毎??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而不是永久導入細胞?,F(xiàn)有的病毒導入法或化學導入法均未充分開發(fā),,需要進一步完善。
Benenson說:“為人類提供一種功能完善的治療方法還非常遙遠,。不過這一工作是重要的第一步,,顯示了單一細胞水平上這樣一種選擇性診斷方法具有可行性。”
開發(fā)活體細胞內(nèi)運作的生物電腦,,是ETH蘇黎世分院合成生物學教授Yaakov (Kobi) Benenson孜孜以求的目標,,其職業(yè)生涯的大部分時間都傾注于此。他想建立既能偵測細胞生存狀況,、又能在細胞異常時對相應(yīng)信息進行處理以提供合適的治療響應(yīng)的生物微機,。目前,通過與麻省理工教授Ron Weiss以及團隊成員(包括博士后學者Zhen Xie 與 Liliana Wroblewska,、博士生Laura Prochazka)合作,,他向這一目標邁出了重大一步。
這一研究成果已發(fā)表于《Science》(見本文所附參考文獻),,論文介紹了一種多基因合成“電路”,;此電路負責鑒別正常細胞與腫瘤細胞、繼而進一步摧毀腫瘤細胞,。其工作方式是:對細胞內(nèi)五種腫瘤特異性分子因子及其出現(xiàn)頻率進行抽樣與綜合,;只有當所有這些因子在細胞內(nèi)同時出現(xiàn)時,該電路才會作出正識別響應(yīng),。這種方式使得偵測腫瘤的準確率非常高,。研究者希望這一成果能夠為高特異性抗癌治療奠定基礎(chǔ)。
對腫瘤細胞的選擇性破壞
本研究對實驗室培養(yǎng)的兩種類型人類細胞進行了基因網(wǎng)絡(luò)測試:海拉細胞(子宮頸癌細胞)與正常細胞,。當基因生物微機被導入這兩種不同的細胞類型時,,只有海拉細胞被摧毀,而正常細胞則安然無恙,。
當然,,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,,終于確認其中一個miRNA組合(或者說“可識別屬性”)只有海拉細胞才有,,其它健康細胞類型內(nèi)則不存在。
發(fā)現(xiàn)這種可識別屬性是一項頗具挑戰(zhàn)性的任務(wù),。人體內(nèi)既存在250種不同的健康細胞類型,,此外也存在為數(shù)眾多的腫瘤細胞的變異型(其中數(shù)百種可作實驗室培養(yǎng))。但miRNA多樣性則更是不讓須眉花樣繁多,,人類細胞中已得以描述的即達500到1000不同種類,。Benenson指出:“每種健康或病損細胞類型都有其不同的miRNA分子處于開放或關(guān)閉狀態(tài)。”
可識別腫瘤屬性中的五種因子
確立一種miRNA“可識別屬性”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到ETH后,,研究小組找到了幾種因子,,可由此可靠地將海拉細胞從所有其它健康細胞中鑒別出;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))就足以將海拉細胞從其混跡的健康細胞中揪出來。
與微機運作相似的網(wǎng)絡(luò)
Benenson介紹說:“這些miRNA因子在細胞內(nèi)進行邏輯代數(shù)運算,;該生物微機運用諸如'與’與'非’等邏輯操作將這些因子進行組合,,并且,當全部因子的整體運算結(jié)果為邏輯'真’值時,,只產(chǎn)生所需要的結(jié)果——那就是細胞死亡,。” 確實,研究者已經(jīng)能夠顯示該網(wǎng)絡(luò)在活體細胞內(nèi)可以非常穩(wěn)定地運作,,可正確組合所有細胞內(nèi)因子并給出正確的診斷,。Benenson認為,這一成果代表該領(lǐng)域的一項重大成就,。
動物模型與基因療法
該研究小組想在下一步在合適的動物模型上測試該細胞計算方法,,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)爰毎??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而不是永久導入細胞?,F(xiàn)有的病毒導入法或化學導入法均未充分開發(fā),,需要進一步完善。
Benenson說:“為人類提供一種功能完善的治療方法還非常遙遠,。不過這一工作是重要的第一步,,顯示了單一細胞水平上這樣一種選擇性診斷方法具有可行性。”