课题组工作丨ANGEW丨人工T细胞对抗癌症

细胞模拟材料的发展代表了仿生技术的顶峰。这些材料旨在复制自然细胞的复杂结构和功能，并与生物系统无缝集成，从而推动合成生物学和生物医学工程的重大进展。细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）是免疫系统中的一支精锐力量。当它们被先天免疫系统激活后，会启动细胞介导的免疫反应，对抗并消灭病原体和肿瘤。在接收到特定的化学信号或抗原后，CTLs会释放穿孔素，这是一种强力的溶解蛋白，能够在靶细胞膜上自组装形成跨膜通道，扰乱目标细胞的内稳态，最终引发靶细胞的程序性死亡，即细胞凋亡。

受CTLs释放穿孔素的独特功能启发，近日，课题组开发了一种新型的DNA编码的人工T细胞模拟模型（ARTC），相关工作以“Leveraging DNA‐encoded Cell‐mimics for Environment‐adaptive Transmembrane Channel Release‐induced Cell Death. ”为题发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上。具体而言，它能够模拟自然T细胞的行为，并与生物细胞建立复杂的物理化学互动。ARTC能够在微酸性环境下响应并选择性释放嵌有脂质和胆固醇分子的DNA G4链（LG4），形成人工跨膜钾离子通道，引发细胞稳态失衡，最终诱导细胞凋亡，为未来疾病治疗和生物医学技术的发展提供了新视角。该工作得到国家重点研发项目、国家自然科学基金等项目支持，中国科学院杭州医学研究所博士后李春影为该论文的第一作者，谭蔚泓院士、韩达研究员、何磊副研究员为通讯作者。

如图一所示，ARTC主要由两部分组成：一部分是通过热诱导DNA自组装形成的全DNA细胞状微球，其作为人工细胞的基本框架。另一部分则是在其内部包含着的一个特殊设计的双链DNA复合体（IG），该复合体包含三个功能区：一个DNA微球内部的桥接序列（m*区）、一个对酸性pH值敏感的i-motif DNA段，以及一个能够与i-motif区结合的单链DNA（LG4）。

图1：DNA编码人工T细胞模拟模型示意图

在模拟肿瘤微环境的酸性条件下，IG会发生结构变化，触发LG4从DNA微球中释放出来。LG4的独特之处在于它经过了脂质和胆固醇的修饰，能够在细胞膜上形成稳定的G-四链体结构，并且与钾离子（K+）有很高的亲和力。如图二所示，当LG4被释放并整合到邻近细胞的膜中时，它就像一个人工的跨膜通道，专一性地运输K+离子。

图2: ARTC释放LG4，释放的LG4在临近细胞膜表面形成跨膜离子通道，导致细胞内钾离子外流。

这种离子的有序外流会破坏细胞内的电解质平衡，导致细胞内环境的紊乱，包括内质网紊乱导致的活性氧升高，继而引起线粒体损伤释放Caspase3,最终触发细胞程序性死亡，即凋亡（图3）。

图3: ARTC还能够诱导内质网应激，显著增加活性氧（ROS）水平，并通过释放细胞色素c激活凋亡途径。

总结与展望：

研究结果表明，ARTC能够在微酸性环境下诱导细胞凋亡，通过释放跨膜通道选择性地流出细胞内钾离子，产生强大的细胞毒性效应。此外，这项研究不仅揭示了ARTC对细胞生理的多样化影响，而且强调了进一步理解其作用机制对于开发新型治疗干预手段的重要性。通过利用DNA编码的细胞模拟物与活细胞之间的智能物理化学相互作用，未来这些细胞模拟物有望被用作靶向治疗剂，实现精确和可控的治疗以恢复细胞功能。

论文信息：Li C, Wang D, Gao H, et al. Leveraging DNA‐encoded Cell‐mimics for Environment‐adaptive Transmembrane Channel Release‐induced Cell Death. Angewandte Chemie International Edition, 2024: e202406186.