《Precision Medicine and Engineering》：Artificial Cells in Disease Therapy: Structural and Functional Biomimicry, Challenges, and Future Perspectives
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这篇综述系统阐述了人工细胞作为前沿生物医学平台在疾病治疗中的最新进展。文章聚焦于人工细胞通过结构仿生（如细胞膜/细胞质模拟）和功能仿生（如酶催化、蛋白质表达）策略，在药物递送、免疫调节及代谢疾病治疗中展现的巨大潜力。作者深入探讨了自上而下（如细胞膜包覆）和自下而上（如脂质体、聚合物囊泡）构建方法，并分析了其临床转化面临的生物安全性、规模化制造等关键挑战，为下一代智能诊疗系统开发提供了重要见解。
引言
细胞是生命的基本结构和功能单位，能够执行感知、代谢、基因表达和适应性反应等高度整合的过程。尽管干细胞和免疫细胞等细胞疗法已取得显著临床进展，但其广泛应用受到体外稳定性差、制造复杂昂贵、免疫排斥以及体内存活率和滞留率低等限制。这些挑战推动了人们对基于人工细胞的治疗系统日益增长的兴趣，这类系统在保留特定细胞功能的同时，提供了更好的可控性、稳定性和安全性。
人工细胞是缺乏活细胞全部组织复杂性、但模拟特定细胞结构、功能或行为以用于治疗目的的工程化系统。自Chang在1957年开创性演示载有血红蛋白的脂质体以来，分子生物学、纳米技术和材料科学的进步使得能够封装多种治疗载荷，包括酶、蛋白质、核酸和小分子药物，使人工细胞成为连接传统药物载体和活细胞疗法的独特可编程治疗系统类别。
人工细胞的构建策略
人工细胞主要采用自上而下、自下而上和混合策略构建。自上而下方法基于活细胞，通过去除不必要的基因或细胞器，甚至用合成基因组替换原始基因组，直到只剩下能够执行基本生物学功能的最小细胞。自下而上策略则完全从头开始，通过化学和材料科学技术组装有机或无机分子来模拟细胞功能，通常通过创建仿生结构（如脂质双层囊泡）来重建特定细胞功能，如蛋白质合成、代谢和信号转导。
人工细胞“细胞膜”的溶质渗透性至关重要。将脂质或洗涤剂（如脂肪酸、胆酸钠）掺入脂质体膜可增强脂双层的渗透性。类似地，多孔聚合物囊泡的开发也改善了小分子跨膜的渗透性。此外，在脂质或聚合物膜中整合膜通道蛋白（如α-溶血素、细菌孔蛋白外膜蛋白F、蜂毒肽）可以构建物质交换通道，使营养物质能够渗透到脂质囊泡中。
区室化是活细胞与无细胞系统的主要区别。膜结合细胞器和无膜细胞器（凝聚层）创建了不同的亚细胞区室，使得各种生化反应可以独立发生，从而实现细胞功能的协调执行。因此，多区室人工细胞已成为合成细胞仿生设计的主要焦点。多区室巨囊泡是实现人工细胞内通信和级联反应的常见模型平台。微流控和乳液方法是构建多区室系统的主要方法。
结构仿生人工细胞在疾病治疗中的应用
结构仿生的人工细胞旨在尽可能接近地模拟自然细胞的结构和功能。通过重建关键结构元素，如细胞质-膜组织或类细胞形态，这些系统主要作为具有改进稳定性、靶向能力和体内性能的高级药物递送载体发挥作用。
最初提出的原细胞模型是由脂质双层膜包裹的介孔二氧化硅核形成的人工细胞。它协同结合了脂质体（低固有毒性、免疫原性和长循环时间）和介孔二氧化硅纳米颗粒（稳定性和巨大的多种载荷及载荷组合容量）的优点。随后，原细胞的定义逐渐拓宽，许多通过自下而上策略构建的人工细胞（如聚合物囊泡和蛋白质体）也被称为原细胞。
广义的人工细胞，如脂质体和聚合物囊泡，通常是模拟自然细胞膜结构特征的充满水溶液的囊泡系统。在此基础上，结合含基因的复合物能够构建同时具有细胞膜和类核区室的人工细胞。例如，开发了由组蛋白/DNA核样二元复合物包裹在癌细胞膜内组成的人工细胞，为DNA等基因药物的仿生递送提供了通用且简便的策略。
目前，拥有细胞质和细胞膜的人工细胞是模拟活细胞最受青睐的策略。将自然细胞膜与非生物材料结合构成人工细胞构建的范式方法，赋予合成实体相当的生物相容性和若干有趣特性。例如，红细胞膜包被的人工细胞由于存在巨噬细胞靶向配体CD47，可以模拟自然红细胞的长时间循环。由于间充质干细胞对炎症和恶性组织的趋向性，间充质干细胞膜包被的人工细胞表现出高效的肿瘤靶向。
基于“PLGA细胞质核心-磷脂生物膜壳”结构的人工细胞表现出良好控制的药物释放行为和有趣的仿生特性，使其成为有前景的可规模化工业生产的模型。通过用自然细胞膜（如软骨细胞或干细胞膜）包被载有生长因子的PLGA微粒构建的人工细胞，可以作为人工软骨细胞或人工干细胞，有效治疗骨软骨疾病、肺炎和其他炎症性疾病。
功能仿生人工细胞在疾病治疗中的应用
超越结构重建，越来越多的人工细胞被设计用于模拟特定细胞功能，包括蛋白质合成、酶代谢和免疫效应器活性。与结构模拟的递送系统不同，这些人工细胞作为活跃的治疗单元，能够进行原位生化反应或信号生成。
赋予人工细胞基因表达能力可能是其构建的终极目标之一，因为它提供了自我复制和自我更新的潜力。在生物医学应用中，具有基因表达能力的人工细胞在某些情况下可以替代传统的药物递送系统。无细胞蛋白质合成系统是蛋白质生产或工程的有价值工具，通过将模板遗传物质（如DNA或质粒）添加到含有必需成分（包括氨基酸、核苷酸和次级能源）的反应混合物中来合成蛋白质。将CFPS系统纳入人工细胞能够在体外成功生产治疗性蛋白质。例如，开发了分别含有葡萄糖氧化酶、胰岛素基因模板和CFPS的MOF细胞器，这些细胞器被金属-酚网络包裹以产生人工β细胞。这些人工β细胞可以通过响应升高的葡萄糖水平并随后启动原位胰岛素合成来模拟自然β细胞。
与单酶治疗相比，级联酶治疗可以解决更复杂的代谢途径或病理过程，从而拓宽治疗范围并提高疗效。因此，共同封装级联酶的人工细胞在治疗多种疾病方面具有巨大潜力。例如，开发了脂质体基础的酶纳米反应器，其中葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶被共同装载到脂质体的水核中。两种酶在脂质体内的共区室化提高了整体串联反应效率，通过高效的活性氧生产实现了卓越的抗肿瘤功效。
基于活细胞的人工细胞用于疾病治疗
超越完全合成的设计，本节考察利用完整活细胞或细胞衍生组分的自上而下衍生系统。通过保留自然细胞的固有生物机制，这些平台实现了难以合成复制的高度复杂的治疗功能。
为了直接应用治疗性活细胞，最普遍的策略是工程化活细胞疗法和活细胞封装。前者通过基因工程或化学修饰增强活细胞的靶向性、稳定性和安全性，而后者将活细胞封装在人工细胞壳内以提高其稳定性和生物活性。将活细胞封装到凝胶基质中获得的生物支架已在骨科等再生医学领域得到广泛应用。将活细胞封装成单分散的微米或纳米结构同样扩展了其治疗潜力；在活细胞周围构建聚合物壳、脂质体壳或二氧化硅壳能够在生理环境中提供有效保护。
通过自上而下策略开发的人工细胞旨在消除非必需组分或解决活细胞的不稳定性。研究人员通常专注于构建“最小活细胞/合成基因组”，这是基础生物学中一种推动人类在概念和功能层面理解“生命最小单位”的理论驱动方法。然而，“非必需基因/非必需细胞组分”的鉴定和表征仍处于早期阶段。加之其生物安全性和体内可控性显著低于自下而上工程化的人工细胞，自上而下衍生的人工细胞在实际治疗应用（或作为药物递送载体）中的报道很少。来自活细胞的囊泡代表了通过自上而下策略开发的典型人工细胞结构，包括从活细胞中提取的细胞膜囊泡和外泌体等。这些最大程度地保留了活细胞的生物活性，同时消除了许多不必要的结构。
展望与总结
尽管人工细胞在体外展示了复杂的行为，包括通信、传感和受控运动，但稳健的体内验证仍然非常有限。系统复杂性、材料稳定性、免疫相容性、能量可持续性和制造成本方面的挑战持续制约着临床进展。迄今为止，尚未有具有持续自主功能的完全集成的人工细胞进入注册临床试验。然而，几种密切相关的仿生平台，如细胞膜包被的纳米颗粒和纳米级酶反应器，已经产生了大量的临床前证据。
近期的进展更可能来自务实的策略，包括人工智能引导的材料组成和结构优化、免疫-人工细胞相互作用的系统研究，以及优先考虑可制造性和安全性的模块化设计方法。更高级的组装，包括包含原组织的构建物，代表了一个令人兴奋的概念前沿；然而，其临床相关性将取决于实现稳健的体内稳定性、可控的单位间协调和可扩展的制造。
总之，在人工细胞能够有意义地推向临床应用之前，必须解决几个优先事项。首先，设计策略应以疾病为导向，而非技术驱动，确保人工细胞在现有平台之上提供明显优势，如微环境响应行为或降低的系统毒性。其次，包含生物组分（包括细胞膜）的人工细胞必须采用符合监管要求的标准化、成本效益高、高通量的制造工作流程。第三，需要进行全面的长期毒理学研究，以阐明在多种临床前模型中人工细胞构建所用合成材料的积累、降解和清除情况。最后，需要先进的成像和系统级生物学工具来解析人工细胞的体内命运，并提供可指导合理优化的机制见解。
总之，通向临床相关人工细胞的道路将受益于务实的、机制驱动的设计，而非最大的仿生度。进展将取决于细胞生物学、材料科学和转化工程的紧密整合，以及立足于疾病生物学和临床比较的现实基准。在此背景下，人工细胞不应被视为活细胞的合成复制品，而应被视为工程化的治疗系统，其成功将取决于在真实生物环境中的功能必要性、安全性和可制造性。
