吳應清

癌癥，人們談之色變，唯恐避之不及。膀胱癌是泌尿系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤，發(fā)病率居泌尿系統(tǒng)惡性腫瘤的首位。目前在臨床采用的腫瘤放化療等方法，盡管對癌癥治療起了一定作用，但其對癌細胞和正常細胞“通殺”的缺點和給患者帶來的巨大痛苦卻不容忽視。所以，開發(fā)精準干預腫瘤細胞的靶向治療方法，已經成為癌癥研究領域的熱點。

在深圳，由國家泌尿外科重點學科帶頭人蔡志明牽頭廣東省泌尿生殖系腫瘤系統(tǒng)與合成生物學重點實驗室研究團隊另辟蹊徑開展研究。他們以合成生物學技術為矛，以期用這一“新式武器”攻克膀胱癌，并為其他癌癥的治療提供新思路。經過多年的協(xié)同攻關，團隊已經取得了一系列突破性的研發(fā)成果。近5年間，共發(fā)表SCI論文237篇，其中影響因子10分以上的論文21篇，擁有授權發(fā)明專利17項，獲得多項各級科技獎項。讓癌細胞“精準死亡，扶正祛邪”，讓研究成果真正惠及癌癥患者，是他們的最高目標，團隊正以“一萬年太久，只爭朝夕”的干勁兒勇往直前，砥礪前行。

樂在其中

作為一名“80后”，實驗室副主任黃衛(wèi)人的求學時代正好是生命科學技術突飛猛進的時期。在那個年代，研究者們發(fā)明PCR技術、掀起克隆動物熱潮、完成人類基因組計劃……生命科學領域日新月異的發(fā)展讓人眼花繚亂。這也對學子、研究者提出了更高的要求，他們不僅要學習已有的學科知識，還要了解整個學科的前沿進展，以服務和指導科研工作。隨著學習、研究的不斷深入，黃衛(wèi)人逐漸將研究方向鎖定在泌尿生殖系統(tǒng)腫瘤發(fā)生機制及診療上，尤其是泌尿系統(tǒng)最常見的惡性腫瘤——膀胱癌上。

科學家認為，至少4000種基因與人類疾病的發(fā)生有直接關系，還有大量基因與疾病有千絲萬縷的聯系。要想真正弄懂膀胱癌的發(fā)病機制，解析膀胱癌基因組是必由之路。黃衛(wèi)人和團隊在國際腫瘤基因組聯合項目的支持下，經過多年的刻苦攻關，終于完成了膀胱癌基因組解析，相關數據被納入癌癥領域廣為人知的國際TCGA數據庫（癌癥基因組圖譜數據庫），占到了膀胱癌數據的半壁江山。

完成膀胱癌基因組解析，并不代表著就弄懂了膀胱癌的發(fā)病機制。面對這本“生命天書”，“怎么讀”“讀完能否寫出來”是黃衛(wèi)人和團隊接下來要面臨的更大挑戰(zhàn)。恰在此時，后基因組時代重要學科發(fā)展方向合成生物學進入他們的視野?；谌婊蚪M信息解析為基礎的新生學科，合成生物學是生物學與工程學融合的交叉學科，實際上是工程學的思維在生物學領域的應用。工程學中重要的策略，標準化、模塊化以及建模在合成生物學中同樣關鍵。在醫(yī)學領域，合成生物學家們可以將復雜的生命系統(tǒng)分解，可以在不同的尺度上（如元件、回路、途徑等）對生命過程進行設計、組裝構建、測試并重新設計。有學者預期，合成生物學將對藥物、能源、材料、環(huán)境以及人類的健康等領域產生重大影響。

蔡志明團隊合照

“就像我們把玩具拆開，然后重新去組裝出來并實現相應的功能。只有這樣，我們才能真正理解生命?！秉S衛(wèi)人深入淺出地解釋道。他們希望利用合成生物學的方法，將膀胱癌基因組中特定功能的基因信息提煉出來，通過不同功能的重新組裝，產生新的生命體系，包括腫瘤特性識別、腫瘤特性干預、腫瘤網絡的人工可控的調控，從而實現對腫瘤的診治。

黃衛(wèi)人和團隊的這一設想得到了國家的大力支持。作為我國以獲得原創(chuàng)性研究成果為目標的最高層次研究項目，原國家“973計劃”將合成生物學納入了研發(fā)計劃，這在國內還屬首次，在當時國內外產生了巨大反響。2014年1月，在實驗室主任、美國生物醫(yī)學與生物學工程學院Fellow、原國家“973計劃”首席科學家蔡志明的帶領下，原國家“973計劃”“合成生物器件干預膀胱癌的基礎研究”項目正式啟動，以深圳大學第一附屬醫(yī)院為主導，與多所科研院校合作，以膀胱癌作為模式腫瘤，開展合成生物器件干預腫瘤的基礎研究，旨在通過構建特異、可控和多靶點的合成生物干預系統(tǒng)，彌補傳統(tǒng)靶向治療的缺陷，解決合成器件干預腫瘤的相關基礎科學問題，為癌癥的治療提供廣泛的科學依據和有效工具。作為研究骨干，黃衛(wèi)人全程學習參與，并做了大量卓有成效的貢獻。

區(qū)分癌細胞與正常細胞，是黃衛(wèi)人和團隊首先要面對的一大難題。據了解，由于膀胱癌早發(fā)現早治療比較困難，晚期癌癥患者往往會失去手術的機會。而由于癌細胞的異質性，以及與正常細胞的相似性，傳統(tǒng)的放療和化療將癌細胞和正常細胞一并殺死，并且容易使癌細胞產生耐藥性，一旦轉移將產生嚴重后果。因此，區(qū)分癌細胞與正常細胞是癌癥診療的關鍵所在。2012年，基因編輯技術出現，它設計簡單、靶向性強，黃衛(wèi)人一直思考能否將其引入癌癥診療？答案是肯定的。經過大量的實驗和研究工作，黃衛(wèi)人和團隊有了突破性進展，利用CRISPR-Cas9系統(tǒng)構建了與門（AND gate）遺傳線路?！巴ㄟ^調控相應的基因線路，能夠實現膀胱癌細胞和正常細胞的特異識別與區(qū)分，并且能夠有效抑制膀胱癌細胞生長，誘導其凋亡，遏制細胞遷移運動能力?！秉S衛(wèi)人介紹，這一創(chuàng)舉在國際上首次實現了對膀胱癌的精準靶向和控制，同時也為其他腫瘤提供了一個可供借鑒的普適性精準化研究與治療策略。

同時，黃衛(wèi)人及其團隊進一步構建基于CRISPR-Cas9系統(tǒng)的“基因調控線路”，調控膀胱癌細胞信號網絡和重編程癌細胞命運，實現了對細胞多種內源蛋白信號和復雜分子網絡的定向整合、控制與信號系統(tǒng)的重塑，能動態(tài)應答并有效處理不同的分子信號，改變細胞信息流動方向，成為搭建人工基因線路的重要使能工具，也解決了科學上的一個重大挑戰(zhàn)。

在利用合成生物學策略構建基因線路識別膀胱癌細胞后，如何將基因線路高效靶向“運輸”到膀胱癌細胞，也是黃衛(wèi)人團隊重點關注的問題。團隊構建基于微小啟動子的“CRISPReader”基因線路，設計小型化CRISPR-AAV表達系統(tǒng)，實現對CRISPR-Cas9基因線路系統(tǒng)的高效遞送，作為一種新型的基因表達調控系統(tǒng)，在膀胱癌基因治療方面具有極大的應用價值。

蔡志明

在腫瘤發(fā)展及治療過程中，癌細胞及癌細胞死亡相關因子會嚴重影響腫瘤微環(huán)境，導致嚴重的腫瘤免疫耐受。因此，在實現膀胱癌細胞“精準識別”后，如何重塑腫瘤免疫微環(huán)境，促進免疫系統(tǒng)對腫瘤的識別與清除，激活特異、長效的抗腫瘤免疫應答，進而阻止腫瘤的復發(fā)和轉移，是團隊下一步的主攻方向。據此，黃衛(wèi)人及其團隊進一步聚焦如何利用合成生物學技術重塑細胞微環(huán)境，以實現腫瘤的高效、精準、可控治療。黃衛(wèi)人作為項目首席科學家，組織國內相關領域優(yōu)勢團隊協(xié)同攻關，獲得科技部重點研發(fā)計劃項目支持。以期實現膀胱癌細胞特異殺傷與免疫激活的協(xié)同效應，為膀胱癌治療提供全新的策略，最終實現針對膀胱癌的“精準殺傷，扶正去邪”，在癌細胞精準識別與死亡的同時，抑制其微環(huán)境的抑制能力，激活免疫細胞的持續(xù)抗腫瘤能力。

黃衛(wèi)人

冬去春來，十年鑄劍。2020年是黃衛(wèi)人從事泌尿系統(tǒng)腫瘤發(fā)病機制研究和診療的第十個年頭，雖然還不到40歲，但他已經在泌尿生殖系統(tǒng)疾病發(fā)生機制、腫瘤個體化診斷及治療的精準醫(yī)學、合成生物學、基因編輯技術研究及轉化等領域做出了突出貢獻。他以國內高發(fā)的膀胱癌為模型較早將工程化理念與腫瘤研究結合，系統(tǒng)地發(fā)掘出一批膀胱癌細胞表型識別和控制有效靶點；完成了膀胱癌特異基因開關元件的合成和表征；構建出可同時感應多層面信號的人工基因線路，實現腫瘤細胞的特異區(qū)分和腫瘤信號網絡的智能識別與人工調控，進一步深入理解腫瘤發(fā)病機理。在包括Nature Methods、Nature Communications、Genome Biology、JACS、 cancer letters、ACS Synthetic Biology、Cell Death & Disease等雜志以通訊作者或者第一作者發(fā)表SCI論文60余篇。相關成果獲得深圳市自然科學獎1項，中華醫(yī)學科技獎1項，科學中國人（2017）年度人物杰出青年科學家獎，2018年中國產學研合作創(chuàng)新獎。申報國家專利28項，獲得發(fā)明專利授權11項。

在科研工作外，黃衛(wèi)人還承擔了大量科研管理和學術事務。除擔任廣東省泌尿生殖腫瘤系統(tǒng)與合成生物學重點實驗室執(zhí)行主任以外，還積極推動醫(yī)學合成生物學的發(fā)展，參與中國生物醫(yī)藥技術協(xié)會合成生物學專委會，中國生物工程學會合成生物學專委會籌建，擔任深圳市合成生物學協(xié)會副會長等職務；已經成為推動學科發(fā)展和技術進步的中堅力量。

回首醫(yī)學科研經歷，黃衛(wèi)人笑稱是“誤入歧途”，懵懵懂懂地踏上了一條艱辛而又神圣的道路。隨著研究的不斷深入，面對諸多現實需求和難題，他“覺得自己應該做點什么”，變得“樂在其中”，“7-11”（每周工作7天，每天工作11小時）是他的工作常態(tài)。注重效率，執(zhí)著前行，是黃衛(wèi)人的科研自畫像。同時，也激勵著整個團隊不斷向前，不斷攀登新的高峰。

敏而好學

2010年的一天，時任北京大學深圳醫(yī)院院長的蔡志明照例帶領一群汕頭大學醫(yī)學院的本科生開展臨床實習，他給每個人5分鐘時間，讓他們講關注的最新的學術動態(tài)或關鍵性進展。這是蔡志明的獨創(chuàng)，他通過這種方式了解每名實習生的學業(yè)情況、思想深度和研究重點，以便因材施教。一個瘦弱的小伙子講了“夜尿與膀胱癌發(fā)病的關系”。這一創(chuàng)新性的見解讓蔡志明十分驚喜：一個本科生能有這樣獨到且有深度的見解實屬難得。他當即邀請這個小伙子以后加入他的研究團隊，開展泌尿基因組、醫(yī)學合成生物學的研究。這個小伙子就是劉宇辰。

劉宇辰出生于1988年，在父親的悉心培養(yǎng)下，從小就對自然科學、醫(yī)學產生了濃厚的興趣。高考時，他將臨床醫(yī)學作為志愿之一。成績優(yōu)異的他被汕頭大學醫(yī)學院7年制臨床醫(yī)學專業(yè)（本碩連讀）錄取。本科實習期的這個小插曲，讓劉宇辰將泌尿醫(yī)學作為今后的研究方向，碩博階段就開始跟隨蔡志明開展相關研究。2015年，博士畢業(yè)后，他正式加入蔡志明研究團隊。作為團隊里較為年輕的研究人員，劉宇辰不急不躁，潛下心來搞研究，在蔡志明、黃衛(wèi)人等的帶領和指導下，致力于將合成生物學技術應用于膀胱癌診斷和治療的研究。

癌細胞由正常細胞變異而來，所以與正常細胞具有天然的相似性，并且為了“擴大地盤”，癌細胞還會通過“偽裝”躲開免疫系統(tǒng)的追蹤。傳統(tǒng)的診療手段主要依靠各種儀器，只有當癌細胞分裂的足夠多，腫瘤足夠大時，才能夠通過儀器檢測出來。早診早治是治療癌癥的黃金法則。如何更早更精準地發(fā)現癌細胞，是研究者們面臨的難題。

世上無難事，只要肯登攀。通過大量的觀察實驗，比對分析，劉宇辰和團隊通過構建定量可控的人工miRNA、shRNA元件庫和CRISPR-Cas9元件庫，發(fā)掘出了一批與膀胱癌細胞惡性增殖、凋亡、轉移、遷移和侵襲相關的作用靶點。通過對基因靶點的分子機制和功能研究，他們設計并開發(fā)出了膀胱癌特異靶點響應、應答和干預元件庫，還將工程學原則引入相關元件的偶聯、適配和組裝過程，最終獲得了可特異區(qū)分膀胱癌細胞和正常細胞的基因線路和“生物雙開關”，對癌癥診斷開辟了新的研究思路。這一成果于2014年11月發(fā)表在Nature子刊上?；蚓庉嫾夹g的開拓者、美國科學院院士Jennifer A. Doudna教授對其進行了積極點評，認為該技術拓展了合成生物學家的工具箱，為復雜基因線路的構建奠定了基礎。

團隊研究成果還引起了一群年輕人的關注。這是一群來自深圳大學的本科生，他們想：利用與門遺傳回路，是否能做一個專門針對膀胱癌細胞的分子機器人，讓它進入到人體內“狙擊”膀胱癌細胞呢？為此，他們主動找到當時還是學生的劉宇辰師兄，希望得到指導。為了更好地了解膀胱癌的發(fā)病特點，學生們甚至跑到醫(yī)院現場采訪了很多膀胱癌患者。

看到年輕學子對膀胱癌診療如此感興趣，蔡志明教授非常高興，安排黃衛(wèi)人和劉宇辰博士抽出寶貴的時間，毫無保留地向學生們介紹研究原理，介紹目前膀胱癌診療的現狀和問題，解答疑問，讓學生們對膀胱癌的發(fā)病特點有了準確的認識。在團隊的指導下，學生們設計開發(fā)了“膀胱癌狙擊手”智能分子機器人模塊。這一成果在2015年美國麻省理工學院（MIT）主辦的、全球共128個國家高校參加的國際遺傳機器大賽（IGEM）中榮獲金牌。

正常細胞有自己正常的內在的信號通路和基因調控網絡，這讓它們可以正常工作。但是如果細胞處在疾病狀態(tài)，特別是變異成癌細胞，它內在的這種基因調控網絡、信號通路都是大量紊亂的。如果改變癌細胞的基因調控網絡，是不是就能夠抑制癌細胞的生長？如果將癌細胞的基因調控網絡改成正常細胞的，是不是就能將癌細胞變?yōu)檎＜毎?？這些令人激動的設想，還需要勇敢的研究者來探路。劉宇辰博士利用合成生物學技術人工設計的“信號傳導器”誕生了。這個器件可特異感知腫瘤任何異常分子的存在，并同時與下游多個抑癌分子組成一個新的“信號轉導網絡”，進而“重新編程”腫瘤細胞的分子信息程序，逆轉其惡性生物學行為，或誘導其進入自殺程序?！斑@個‘信號傳感器’就像是一個核酸機器人，它能感知細胞的生命狀態(tài)。更重要的是，在一定程度上可以遏制癌細胞的轉移。”劉宇辰介紹道。2016年9月，相關研究成果發(fā)表于國際頂級生物技術期刊Nature Methods。一經發(fā)表即引起國內外同行廣泛關注，認為其在未來具有廣泛的應用前景和臨床轉化價值，特別將在癌癥治療應用研究領域產生巨大的應用價值”。

劉宇辰

短短數年，劉宇辰在求學和工作過程中，積極擁抱合成生物學技術領域，取得驕人成績，在Nature Methods、Nature Communications等刊物發(fā)表論文30篇主持或參與國家自然科學基金3項，獲得廣東省“杰出青年”基金支持，榮獲廣東省科學技術獎一等獎和高等學?？茖W研究優(yōu)秀成果獎自然科學獎二等獎，深圳市青年科學獎；被福布斯雜志評選為“全球30位30歲以下青年杰出人才”。

百花齊放

2017年，廣東省泌尿生殖腫瘤系統(tǒng)與合成生物學重點實驗室正式掛牌。作為國內首家利用合成生物學計劃開展膀胱癌診療研究的機構，它的孕育和成長遇到了“特別”的艱難。

作為省重點實驗室，有廣東省和深圳市的雙重支持，資金不是問題。研究人員回憶，實驗室初建時，最大的困難是思想的統(tǒng)一。在當時，合成生物學仍然是一個新生學科，很多人對“什么是合成生物學”存在疑問，不知道利用合成生物學能做什么，不知道它的優(yōu)勢在哪里。而且，當時實驗室的成員研究背景各有不同，有做臨床醫(yī)學的，有做遺傳學的，有做基因組學的，還有做傳統(tǒng)生物治療的，大家都基于自身的研究經歷對“合成生物學”有各自的理解。

統(tǒng)一的思想，是統(tǒng)一行動的前提。在科學研究中，統(tǒng)一的思想更是行路指南，指引著研究方向。實驗室主任蔡志明是國內較早地倡導將合成生物學技術引入腫瘤尤其是膀胱癌研究的專家，對合成生物學的應用前景十分看好。面對大家思想的不一致，他并沒有強制定下研究內容，規(guī)定研究方向，而是鼓勵大家各抒己見，暢所欲言。很多時候，能真正說服人的，不是語言，而是行動。在當時，根據前期的研究工作，大家已經在膀胱癌基因組學研究中發(fā)現了很多靶點，但卻不知道該怎么用這些靶點來進行膀胱癌的診療。此時，蔡志明提出：可以用合成生物學的技術來解決多靶點診療問題。在蔡志明的指導下，黃衛(wèi)人、劉宇辰等通過研究，成功構建了與門遺傳回路，找到了研究的突破口，也讓大家看到了合成生物學強大的技術實力，研究思想實現了真正的統(tǒng)一。

星霜輪轉，歲月更替。短短5年間，實驗室已經頗具規(guī)模，研發(fā)場地面積達3500平方米，設備總值為4500萬元。一個囊括近40位國內外高水平人才、學術實力雄厚、敢闖敢拼的研究團隊已然形成，他們中間既有像黃衛(wèi)人這樣樂在其中的中堅力量，也有像劉宇辰這樣敏而好學的優(yōu)秀青年，還有像蔡志明這樣高瞻遠矚的領軍人物。他們正以昂揚的精神狀態(tài)，向下一個五年、十年邁進。在未來，癌癥診療將發(fā)生怎樣翻天覆地的變化，我們拭目以待。