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本文聚焦基于脂质的合成细胞（SCs），阐述其自下而上的开发技术，涵盖设计、工程、制备方法，介绍在靶向治疗、生物催化等多领域的应用，探讨面临的技术和实践挑战，展望未来发展方向，为该领域研究提供全面参考。
合成细胞（SCs）概述
合成细胞（SCs）是人工构建的生物系统，模拟自然细胞的结构和功能。与历经遗传和环境因素塑造的自然细胞不同，SCs 采用基于工程和应用导向的理性设计方法，具有可定制性，能执行特定任务，在生物技术、生物医药和能源等领域潜力巨大。其设计核心是自下而上的开发理念，通过精细调整所选组件的设计与组装，构建功能性整体，还可融入非生物组件以获得特殊特性。
SCs 的设计与工程
SCs 的设计构建类似房屋建筑规划，依据功能需求和应用目标进行。其主要由膜系统、基因电路和代谢途径三部分组成。膜系统是保护框架，如同房屋的结构外壳；遗传物质携带指令信息，类似居住者；代谢途径驱动生化过程，好比维持房屋功能的综合设施网络。例如成熟红细胞，其功能需求决定了组成成分的选择，体现了细胞的目的驱动设计。mRNA 疫苗作为人造 SCs，通过精确校准脂质体大小、修饰脂质成分，实现安全有效的遗传物质递送。脂质膜系统在保护内部组件和递送内容物方面至关重要，但要实现完整功能，还需整合基因电路、代谢途径等模块。
膜系统的自下而上制备技术
脂质是构建 SCs 膜系统的常用材料，其次是嵌段共聚物、蛋白质和核苷酸基结构。膜的形成依赖分子组件的自组装，其功能与组件的堆积效率相关。非脂质膜的 SCs 常存在小分子渗透性或生物相容性问题，而脂质膜凭借膜蛋白具有选择性渗透性。不过，将分子封装在膜系统内并非易事。
- 薄膜水化技术（TFH）：TFH 是一种高效且具成本效益的制备 SCs 的方法，能实现一定的重复性。通过水合干燥的脂质薄膜，再经涡旋、超声或挤出等处理，可得到大小均一的脂质纳米颗粒（LNPs）。近期研究表明，顺序水化能显著提高该方法的封装效率（EE），但对大分子（>1000 Da）的 EE 仍较低且不稳定，还存在通量低和可扩展性差的问题。TFH 虽能制备多种脂质组成的膜系统，但在封装大生物分子时存在局限，需探索其他技术提升其 EE。
- 液滴转移技术：液滴转移方法是推进 SCs 设计的重要技术，通过将含功能组件的水包油（W/O）液滴从油相转移到水相，形成双层膜。该技术可制备 100 nm 至 50 μm 大小的 SCs，能满足 SCs 开发的多项参数要求，已成功封装多种生物分子，构建出复杂的 SCs。然而，该方法在微量滴定板或 Eppendorf? 管中操作时，可扩展性受限，尽管微流控技术能改善液滴大小均一性，但连续液滴界面交叉封装（cDICE）等变体方法仍存在大小均一性不足的问题，未来可探索膜乳化技术提升其性能。
- 微流控技术：微流控技术在 SCs 开发中至关重要，具有高 EE、窄多分散性和出色的可扩展性。
- 反溶剂沉淀法：反溶剂沉淀法可用于制备纳米级脂质体，如基于该技术开发的 COVID 疫苗脂质体平均粒径约 90 nm 。但并非所有分子都能耐受乙醇或异丙醇，蛋白质 / 酶等生物分子易在该过程中变性，限制了其用于构建更复杂 SCs 的可行性。不过，该技术可将预制纳米级脂质体封装在 LNPs 内，未来有望通过在预制脂质体中整合功能蛋白 / 酶制备先进 SCs，同时，无溶剂工艺也在探索中以提高生物相容性。
- 基于液滴微流控的双乳液模板法：液滴微流控可制备微米或细胞大小的 SCs，微流控制造技术的进步使双乳液的制备取得进展，能产生多种类型的双乳液，推动 SCs 从简单囊泡向复杂的类似真核细胞的隔室化结构转变。但该方法使用的有机溶剂会带来生物相容性问题，胆固醇在脂质双分子层中的分配也存在争议，不过，随着技术改进，如减少表面活性剂使用、进行生物相容性检测等，越来越多研究者采用该技术设计复杂的 SCs。
功能性 SCs
设计功能性 SCs 需整合多种模拟自然细胞关键组件和过程的模块，包括基因电路、代谢途径和亚隔室，这些模块协同赋予 SCs 功能并实现应用，主要应用领域如下：
- 靶向治疗：具有靶向能力的 SCs 可携带传统药物、蛋白质、RNA 衍生物和 CRISPR 技术等，用于治疗癌症、心血管疾病和抑制炎症通路等。它们能精准地与靶细胞结合，实现高效的药物递送，提高治疗效果。
- 表达治疗药物的 SCs：纯化的无细胞基因表达系统（CFES）推动了表达 mRNA、生长因子或膜孔蛋白等治疗药物的 SCs 的发展。这些 SCs 可用于组织再生和重塑，且能对外部刺激作出响应，在动物模型中引发的免疫反应极小，具有良好的体内应用前景。
- 生物催化：SCs 工程的进展使 SC 驱动的催化成为可能，能实现碳固定、甲醇基生物制造、碳水化合物合成和脂质合成等。通过在 SCs 内整合单种或多种酶，或使酶结合在脂质头部基团上，可构建高效的生物催化体系，还能将复杂的能量转换组件结合，制备人工能量电池。
- 生物传感器：SCs 可作为生物传感器，利用酶进行底物转化和检测，或通过刺激响应性基因表达实现检测功能。亚隔室的存在能稳定酶的环境，提高催化效率，特定脂质类型的膜可触发释放淬灭染料，增强检测的多样性和灵敏性。
面临的挑战
尽管 SCs 在实际应用中前景广阔，但仍面临技术和实践两方面的挑战。
- 技术挑战：在制剂开发方面，除了含 mRNA 和标准药物的 SCs，含有 CFES 和酶的复杂 SCs 尚未针对实际应用进行配方设计，需改进长期稳定性和功能完整性的配方策略。稳定性方面，纳米和微米尺寸的 SCs 都需满足长期稳定性要求，双乳液模板法制备的 SCs 易受渗透压影响，脂质膜也对渗透压敏感，可通过使用聚合物或生物聚合物增强结构完整性。渗漏问题也不容忽视，表面活性剂技术的进步有望改善脂质膜的稳定性，减少渗漏。此外，大规模生产是一大难题，需要将复杂的制备工艺转化为工业规模，同时确保产品质量、可重复性和经济可行性，目前用于复杂微米级 SCs 生产的设备大多未达到药品生产质量管理规范（GMP）标准，不符合监管要求。
- 实践挑战：安全性和伦理研究对 SCs 应用至关重要，基于 CRISPR 的 SCs 和含 CFES 的 SCs 可能对公众和环境产生未知影响，目前缺乏严格的监管框架，而生物技术创新的安全、有效和伦理使用要求复杂，合规难度大。公众认知也是一个挑战，SCs 的广泛接受依赖于通过透明沟通、教育和伦理责任建立公众信任，基因表达和编辑的 SCs 尤其需要加强监管。成本效益是决定 SCs 可及性和可扩展性的关键因素，目前实验室规模生产的方法在转化为大规模生产时，研发成本较高，需各方协作解决这些问题。
结论与展望
传统的 SCs 制备方法如 TFH 成本低，但存在异质性和 EE 有限的问题；先进技术如液滴转移和微流控技术在控制囊泡大小、封装和可重复性方面表现优异，但存在初始成本高和操作复杂的问题，其中微流控技术是设计实用 SCs 最具前景的方法。目前 SCs 在 LNP 生产中已展现价值，但稳定的商业配方尚未形成。微流控技术存在油残留影响生物相容性、脂质分配不均和缺乏合规生产设备等问题，需要进一步研究改进。液滴转移方法可探索膜乳化技术提升均一性和通量。未来，SCs 的发展需优化配方以延长保质期，实现从微米到纳米尺度的转变，开发符合 GMP 标准的大规模生产设备。同时，可通过整合膜孔蛋白等策略设计更稳健的 SCs，利用系统化学和人工智能（AI）技术加速设计过程，AI 可在设计优化、建模、预测和自动化实验等方面发挥重要作用，推动 SCs 技术发展，解决 21 世纪的复杂挑战，但在发展过程中需注重安全、透明和公众参与。
