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血液短缺是全球医疗面临的重大挑战，为解决这一问题，研究人员开展了合成促红细胞生成素受体（synEPORs）的研究。他们利用设计 - 构建 - 测试循环和基因编辑技术，成功实现无促红细胞生成素的红细胞生成，降低成本，为血液生产带来新希望。
在现代医学中，血液的重要性不言而喻，它在手术、产科、创伤护理以及癌症化疗等诸多领域都扮演着关键角色。以美国为例，每天约有 35000 单位的血液被抽取，用于支持各类医疗活动，每年提供的红细胞（RBCs）单位多达 1200 万。然而，血液供应却面临着严峻的挑战。一方面，血液的获取主要依赖于捐赠，这就导致供应不稳定，容易出现短缺的情况。随着全球人口老龄化的加剧以及献血人数的减少，血液短缺问题愈发严重。另一方面，一些特殊血型的患者，在输血病例中占比可达 5%，他们常常面临无匹配血液可用的困境。从经济角度来看，过去二十年里，RBCs 输血成本持续攀升，在住院患者的总医疗支出中占比近 10% 。综合这些因素，可输血血液的供应严重不足，成为亟待解决的医学难题。
为了解决这一难题，来自斯坦福大学（Stanford University）和加利福尼亚大学旧金山分校（University of California, San Francisco）的研究人员开展了一项具有创新性的研究。他们致力于开发高度优化的小分子诱导合成 EPO 受体（synEPORs），通过这种方式实现无促红细胞生成素（EPO）的红细胞生成。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为血液生产领域带来了新的希望和突破。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是基因编辑技术，利用 CRISPR/Cas9 系统结合 AAV6 载体，将 synEPORs 整合到特定基因组位点。同时，借助 AlphaFold2 进行蛋白质结构预测，为优化受体设计提供理论依据。此外，还运用了 RNA 测序（RNA-Seq）技术来分析转录组变化，以及高效液相色谱（HPLC）技术检测血红蛋白的产生情况。研究使用的样本包括来自脐带血和动员外周血的造血干细胞和祖细胞（HSPCs），以及来自 O 型阴性血供体的诱导多能干细胞（iPSC）系 PB005 。
下面来看具体的研究结果：
- FKBP-EPOR 嵌合体实现小分子依赖的红细胞生成：研究人员最初尝试让 HSPCs 分泌自身的 EPO 细胞因子来替代外源性 EPO，但效果不佳。随后，他们设计了一系列 FKBP-EPOR 嵌合体，通过筛选发现部分设计可在小分子（AP20187，即 “BB” 二聚体）刺激下实现无 EPO 的红细胞分化，其中 synEPOR 1.5 表现出较好的效果，在红细胞分化结束时，编辑细胞在有 BB 存在且无 EPO 的情况下具有明显的选择优势。
- 信号肽和超形态 EPOR 突变增强 synEPOR 效力：为了进一步提高 synEPOR 的效力，研究人员在 synEPOR 1.5 的基础上添加信号肽（SP），发现添加 EPOR SP 和 IL6 SP 均能提高红细胞分化效率。此外，引入自然发生的无义突变（EPORW+39X）进一步增强了受体的效力，优化后的 synEPOR 在刺激下产生的红细胞能产生与 EPO 培养的未编辑细胞相似的血红蛋白。
- 基因工程调节 synEPOR 功能：研究人员探索了不同启动子调控下 synEPOR 的表达对其功能的影响。将优化的 synEPOR 分别置于 PGK1、HBA1 和内源性 EPOR 启动子下，结果表明，不同启动子调控的 synEPOR 在红细胞分化和血红蛋白产生方面存在差异。其中，EPOR (synEPOR) 和 PGK (synEPOR) 能有效降低 BB 非依赖性活性，且在低浓度 BB 刺激下就能实现高效的红细胞分化。
- synEPOR 紧密复制内源性 EPOR 信号传导：通过转录组分析发现，synEPOR 编辑的细胞在 BB 刺激下，其转录组变化与内源性 EPOR 信号传导相似。尤其是 EPOR (synEPOR) 编辑的细胞，与未编辑细胞在 EPO 培养下的转录组最为相似，表明该条件能最好地重现内源性 EPOR 信号传导。
- synEPOR 实现从诱导多能干细胞的无 EPO 红细胞生成：研究人员将最有效的 synEPOR 表达策略应用于 iPSC 系 PB005，发现 EPOR (synEPOR) 编辑的克隆在无 EPO 的情况下，分化效率和细胞增殖能力与 EPO 培养的克隆相当，且能产生正常的血红蛋白。
研究结论和讨论部分指出，这项研究成功地将合成蛋白工程与同源定向修复基因编辑相结合，实现了用低成本小分子控制细胞分化和行为。通过优化 synEPOR 并将其整合到内源性调控机制中，有效重现了天然受体信号传导。从成本上看，使用小分子 BB 相较于重组 EPO，在生产等量 RBCs 时成本大幅降低，仅为原来的约 1/500。尽管目前无 EPO 培养基的成本仍高于捐赠血液，但对于稀有血型患者和需要反复输血的慢性病患者（如镰状细胞病患者）来说，这项技术有望整合到患者来源的 iPSC 中，以较低成本生产自体 RBCs，满足他们的医疗需求。此外，该研究展示了合成生物学在未来消除其他外源性细胞因子需求方面的潜力，例如可创建小分子诱导的 MPL、KIT、IL3R 和 INSR，分别去除对 TPO、SCF、IL-3 和胰岛素的需求。这一研究成果为建立体外 RBCs 生产作为可扩展和可再生的血细胞来源用于输血医学迈出了重要一步，同时也为其他临床相关细胞类型的大规模生产提供了借鉴，有望推动细胞工程领域的进一步发展，使更多患者受益。
