闭环胆固醇分流回路调控实验性血脂异常——合成生物学助力胆固醇稳态管理新突破

本刊推荐：为解决高胆固醇血症传统疗法副作用大、患者依从性差的问题，研究人员开展基于合成生物学的闭环基因回路研究，设计出胆固醇稳态调控模块（CHARM），通过重编程SREBP胆固醇感应机制驱动PCSK9抑制性adnectin表达，在小鼠模型中成功实现2天内逆转血脂异常并长期维持胆固醇稳态，为慢性代谢疾病提供了自主调控的治疗新范式。

　　

心血管疾病长期位居全球死亡原因首位，而高胆固醇血症作为关键风险因素，影响着全球四分之一人口。当前主流治疗药物他汀类虽广泛应用，却伴随肌肉疼痛、肝功能障碍甚至神经退行性风险；PCSK9单抗虽效果显著，但高昂成本和频繁给药方式使其难以惠及大众。更令人担忧的是，即使采用联合治疗方案，仍有30%-50%患者无法达到目标胆固醇水平。这种困境源于胆固醇稳态调节的复杂性——它既受遗传因素调控，又与环境因素密切相关，传统开环给药模式难以实现精准调控。

针对这一挑战，瑞士苏黎世联邦理工学院Martin Fussenegger团队在《Cell Metabolism》发表突破性研究，通过合成生物学技术构建了名为CHARM（胆固醇稳态和调节模块）的闭环基因回路，成功实现了对实验性血脂异常的自主调控。该研究通过巧妙的分子设计，将天然胆固醇感应机制与合成基因表达系统相结合，创造了能够实时感知血液胆固醇水平并自动给药的新型治疗策略。

研究人员采用的核心技术包括：1）基于SREBP-KRAB融合蛋白的胆固醇传感系统重构技术；2）PCSK9-sLDLR互作高通量筛选模型（使用工程化HEK-293T细胞系）；3）Sleeping Beauty转座子系统构建稳定转基因细胞系；4）藻酸盐-聚赖氨酸微胶囊封装技术（用于体内植入）；5）CardioChek血脂分析仪进行动态监测。研究还使用了人源间充质干细胞（hMSCs）验证临床转化潜力。

设计并验证人源抗高胆固醇分流传感器

研究团队巧妙地重构了天然胆固醇感应机制。通常SREBP在低胆固醇时被激活，启动胆固醇合成基因表达（胆固醇-OFF状态）。通过将SREBP的N端转录激活域替换为KRAB转录抑制域，并设计在组成型启动子下游含有SRE操作子位点的合成报告系统，成功实现了系统行为的反转——高胆固醇时解除抑制，启动治疗蛋白表达（胆固醇-ON状态）。

设计并验证抗高胆固醇效应器装置

研究人员建立了基于split-luciferase的PCSK9-sLDLR互作抑制筛选平台，从多种候选药物中筛选出效果最佳的单链抗体scFv 5e12和adnectin BMS-962476，后者对PCSK9-sLDLR互作的抑制率高达80%。动力学实验证实这两种候选物在瞬时转染的HEK细胞中能稳定维持抑制功能超过10分钟。

设计CHARM转基因单克隆人细胞

构建稳定双转基因HEK-293单克隆细胞系，其中一组仅表达BMS-962476（HEK_CHARM），另一组表达两种最佳抑制剂的治疗鸡尾酒。实验显示单独表达BMS-962476的克隆在胆固醇诱导下对PCSK9-sLDLR互作的抑制效率更高，被选为后续实验对象。完全诱导时，含5×10⁶个HEK_CHARM细胞的植入物在24小时内可产生0.018±0.003 mg BMS-962476。

开发实验性高胆固醇血症体内模型

研究团队工程化改造了稳定过表达功能获得型PCSK9变体（D374Y）的单克隆细胞系（HEK_D374Y），使用微胶囊封装的HEK_D374Y植入物在野生型小鼠中成功诱导高胆固醇血症，简化了传统依赖转基因动物的复杂模型。

CHARM为基础的控制实验性高胆固醇血症

将500万个HEK_CHARM细胞封装于临床许可的藻酸盐微胶囊中，腹腔植入高胆固醇血症小鼠。CHARM能在2天内逆转血脂异常（LDL-C>1.5 mmol/L），并在剩余研究期间维持正常胆固醇水平。同时，CHARM对PCSK9的抑制也缓解了血脂异常中观察到的高密度脂蛋白（HDL）下降。野生型动物植入HEK_CHARM后未出现低胆固醇偏移。循环游离PCSK9仅在未治疗疾病组和单抗治疗20天后少量检测到，表明CHARM能提供近100%的PCSK9抑制。

本研究代表了合成生物学向临床转化的重要里程碑。CHARM系统成功将内源性胆固醇感应机制与治疗性输出模块相结合，实现了真正意义上的闭环调控。与需要双周给药的evolocumab相比，CHARM能提供持续、自动的胆固醇管理，且不会产生低胆固醇风险。

该研究的创新性在于：1）成功逆转了天然胆固醇感应系统的逻辑，创建了胆固醇-ON系统；2）首次将adnectin这一小型蛋白生物制剂用于基因回路治疗；3）建立了简化的野生型小鼠高胆固醇血症诱导模型；4）证明了工程化细胞植入物在体内的长期稳定性（20天以上）。

然而研究者也指出，胆固醇稳态是受遗传和环境因素共同调控的复杂过程。虽然CHARM设计旨在应对遗传性条件（如PCSK9功能获得性突变），但其效果最终受个体LDLR内在能力的限制。这些受体不仅存在个体差异，还可能被长期过量饮食摄入所压倒。因此，即使经过未来临床转化所需的工业级优化，CHARM的治疗效果仍将部分取决于患者特定因素。

这项研究为慢性代谢疾病的治疗范式转变提供了概念验证：从传统的外部药物干预转变为内部自主调控，从"治疗症状"转变为"解决根本原因"。随着AI辅助的蛋白质和材料设计工具发展，设计型基因回路将变得更加模块化、稳健和实用，为高血压、肥胖、糖尿病等慢性疾病的闭环治疗开辟了新道路。

未来临床转化可能涉及定期更换细胞植入物，或采用替代性的治疗回路递送方法以减少干预次数。此外，回路还可改造为包含惰性报告基因（如分泌型碱性磷酸酶SEAP），用作原位胆固醇传感器。这种反馈控制的闭环基因回路如CHARM，终于提供了令人兴奋的替代方案，有望用下一代慢性疾病"治愈"方法取代已有数百年历史的开环治疗。