重组荷尔蒙、可溶性受体和单克隆抗体等生物制剂的诞生改变了制药工业。过去主要依靠而且只有小分子药物这唯一产业支柱，制药工业现在拥有了第二产业支柱。生物制剂为更广泛的作用标靶、功能和临床适应症铺平了道路，目前占据着新上市医药产品的巨大市场份额。今天，生物制剂科学自身很快也将面临新的制药工业的挑战——细胞制剂。

建设第三医药产业支柱

    历史告诉我们，确立一个新的制药产业支柱，必须以其基础工程科学的建立作为前提。比如，从自然产品中筛选药品过渡到今天的小分子制剂工业，需要有机化学合成作为其基础科学。在这个王国里，制药企业巨头的独特创新，是指他们定义和掌握了将小分子化合物转换成药品的科学：发现或者设计、合成能够结合到目标生物靶点的先导化合物；优化药品结合到标靶的特性、药代动力学和药效学特性；减轻其毒性。

    第一代生物制剂是自然存在的蛋白质，如纯化猪胰岛素和未改造的多克隆抗体。而现代生物制剂工业始于20世纪80年代早期，其建立的基础是分子生物学的革命、制造单克隆抗体的技术和蛋白重组工程的基础科学。然而，生物制剂发展的突飞猛进却源自该领域内基因泰克、健赞和安进几个主要公司，因为他们开发和建立了与制药企业巨头完全不同的世界一流的崭新技术——设计和生产高效优化的重组蛋白。

    今天，生物制剂科学站在了又一次革命的浪尖——使用人体细胞和细菌作为新的治疗手段。从原则上讲，细胞制剂的治疗能力和小分子药品及生物制剂有着根本区别，而且，细胞制剂也超出了再生医学的范畴。似乎是半药品半器械，细胞能够感觉到不同的信号，移动到机体的特定位置，综合接收到信息并做出决定，完成复杂的反应行为——所有这些都在一个特定的组织环境内运作。细胞的这些特质被有效地控制，可以用来治疗感染、自身免疫性疾病、癌症、代谢性疾病和组织修复再生。虽然细胞制剂的先驱临床试验已经显示疗效，但细胞本身的复杂性以及细胞作为制剂需要精确控制其作用所带来的挑战，都给细胞制剂成为广泛使用的医药平台，在科学、法规、经济和文化等各方面带来了令人却步的障碍。

    随着对细胞生物学机制的深入理解，研究者运用新的方法来平衡和控制细胞复杂的行为，从而生产出一系列精确操控的细胞武器，用于多种疾病的治疗。然而，细胞制剂发展为制药支柱的关键仍然在于细胞工程基础科学的建立，包括编辑和重组基因的机制，装配分子组件的工具箱和可预见细胞行为的控制模型，提供能够精确调控及优化细胞行为策略的系统理论框架。

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完整的细胞如何调动构件

    如果说小分子药品和生物制剂是工具，那么，细胞制剂就像木匠，或者说艺术家、工程师，因为这三种制剂，只有细胞可以感受到其周围环境、做出决定、发挥多样而且可控的行为。一些器械，特别是纳米级别非生物治疗器械，也拥有细胞制剂的某些优点，在此不作赘述。

    细胞自然地执行治疗任务：人体本身有三种自然物质可以作为制剂执行治疗任务。第一种如神经递质等小分子，第二种是抗体、生长因子、细胞因子和多肽荷尔蒙等生物制剂。细胞是第三种，也是唯一一种可以完成复杂生物功能的制剂。例如，巨噬细胞能够吞噬病原体，募集自身免疫细胞；造血干细胞能发育出髓系细胞和淋巴系细胞；软骨细胞能产出软骨样细胞为基质；胰腺B细胞能感知糖并反应性的产生胰岛素；肠道菌群能够将非消化的纤维转化成短链脂肪酸而被肠粘膜上皮细胞利用。

    细胞行为具有高度选择性：绝大部分小分子制剂和生物制剂都没有所谓的开关机制，而是始终保持活性，一旦到达目标区就和靶点结合而发挥生物效应。与之不同的是，细胞能感知周围环境，只有在接收到一系列特异分子信号时，细胞才做出反应而发挥作用。因此，细胞制剂具有非常高的敏感性和特异性，很好地限制了其在非目标区的作用。通过设计和控制细胞受体及其信号的处理过程，原则上可以精确地定制细胞反应，使得只有治疗相关的信号才能激活细胞发挥有选择的细胞效应。

    细胞是特殊的传递工具：药代动力学和药效学特性以及代谢决定了小分子和生物制剂在机体的组织分布。由于自身不能限制其分布在单一组织或者细胞类型，小分子和生物制剂常常表现出非靶点效应，此外，这些效应有时会很严重以致影响药物的开发，有些甚至影响开发的后期。例如，罗格列酮是一种过氧化物酶体增殖物激活受体r配体（PPAR-r-L），作用于脂肪细胞而发挥胰岛素增敏效应，但它同样在心肌细胞也发挥作用，增加了一些患者发生心肌梗死的风险。尽管这种风险非常少见，但这种效应无论对于罗格列酮的销售还是PPAR-r同类产品的发展都无疑于冬天的寒流。而细胞能通过选择性地识别信号、主动地迁移向靶组织而发挥特异效应，所以细胞制剂的非靶向效应很少见。我们可以想象，如果能设计出一种细胞，它能够而且只能够在脂肪细胞环境中产生PPAR-r配体，这该是多么理想的制剂。

    细胞可以应对人类遗传基因的多样性：面对不同的患者群体而要确定一种药品的合适剂量常常面临挑战。基因的多样性决定了药物转运蛋白和P450药物代谢酶的多样性，这些因素决定了小分子制剂进出细胞及其代谢的多样性，所以一个小分子制剂同样的剂量，在不同患者个体中其能够到达靶组织的量却大相径庭。例如，基因的多样性决定了阳离子转运蛋白1（organic cation transporter 1，OCT）的多样性，这使得某些糖尿病2型患者细胞摄取二甲双胍减少，从而在不同个体表现出不同的疗效。相比较而言，细胞可以被精准地设计而自动应对不同的机体代谢状态，具备类似变阻器一样的循环机制，达到一个阈值可以自动释放或者自动停止释放所需因子。因此，细胞制剂原则上在不同个体的治疗效应不会因个体基因不同而表现出明显差异。

    细胞行为可以工程设计: 为了能够更好地控制1型糖尿病，患者必须监控自己的血糖值、注射胰岛素、限制饮食。如果不能控制好病情，那么会有很严重的后果：致盲、截肢、甚至死亡。因为1型糖尿病源于分泌胰岛素的胰岛B细胞被自身免疫系统攻击而被损坏，所以单单更换这些B细胞并不是有效的治疗策略。反而，应该介绍一种被工程设计过的新细胞来完成一些虽不自然但很重要的任务来替代胰岛B细胞。比如说，一种被改过的新型T淋巴细胞可以根据血糖高低而分泌胰岛素。这种细胞在合成生物学的能力范围之内，如果能够解除1型糖尿病患者对外来胰岛素的依赖，那么这在1型糖尿病的治疗上将是一个重大突破。一部分的1型糖尿病病因是由于胰岛素被自身的免疫系统损坏，并非胰岛B细胞。对于这类病型，可以设计一种能够结合胰岛素受体而控制血糖，但又不会结合胰岛素自身抗体的仿胰岛素类化合物。

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细胞制剂的几个典型适应症

    虽然小分子和生物制剂在制剂上一直会有它们的地位，但还存在着一些应用细胞才能够做出更有力效应的适应症。在人类疾病治疗中，还有很多未能达成的重要因素只有依靠细胞制剂才能解决 （见图1）。接下来我们会重点讨论三个例子。虽然像干细胞和树突细胞制剂这些很有前景的应用我们并没有讨论，但已经有多篇的评论将它们设为了主题。其中有两个例子更是建立在了最新临床疗效很高的细胞制剂上：嵌合抗原受体——改良的T细胞和粪便移植。

能够摧毁癌细胞的免疫细胞：

    目前最有效的小分子和生物癌症疗法能够为患者在癌症扩散之前提供6个月到3年的无病生存。所以说，癌症治疗最大的几个挑战就是能否阻止耐药肿瘤细胞的扩散和能否摧毁那些已经从原发肿瘤扩散并已渗入血管或淋巴管的转移性癌细胞。

    一些联合治疗能够避免耐药细胞的生长，这些的确是良好的治疗途径。不过，小分子和生物制剂也有相应的弊端。它们无法自我启动和关闭，只能依靠识别具体的分子来判断是否启动。因为目标细胞能够进化出抵抗性机制，所以小分子以及生物制剂的有效时间是有限制的。

    能辨识靶标改变的癌细胞并对其进行摧毁，这个任务更适合于细胞制剂。最近有临床研究报道了改良型T淋巴细胞治疗慢性淋巴样白血病的效果。在间接体内环境修改过后，改良型T淋巴细胞构雄甾烷受体（chimeric antigen receptor，CAR）的胞外定位域被换成了一种能够发现肿瘤细胞的单链抗体。这些研究与其他相关研究一是证明了重新把目标放在免疫细胞上来识别体内新的不明信号并做出反应的可行性，二是确定了以T细胞为合适的框架来进行修改。将来的改良型T细胞也许能有一种控制机制来允许它们以小分子依赖性的方式来启动或关闭，并且生产出一种能够抵消有害副作用的生物，比如说细胞激素风暴（例子：抗IL-6抗体）。

    前哨细胞制剂相比小分子和生物制剂来说产生药物抗性的可能较少的可能较少。细胞制剂可以在被修改后辨识目标细胞中多处特征，所以修改其中某个特征并不能对药物产生抵抗性（其作用相当于联合治疗）。因为细胞制剂有能力适应进化病原体，所以细胞本身很适合起到一个天然的监视作用，所起作用有可能包括发现和摧毁慢性感染中的活化细胞，比如说潜伏性结核分枝杆菌。

克罗恩氏病的细菌疗法：

    肠胃病是一个很适合以微生物为治疗基础的对象。粪便移植的基础在于将一个完整的细菌培养移植到患者肠胃道内，从而替换其肠胃道内原有的细菌群落。近来临床试验表明，粪便移植能够很有效地治疗复发性难辨梭菌感染。那么类似的疗法能否有效地治疗其他普遍疾病呢？

    节段性回肠炎（又名克罗恩氏病）可能会比较难以掌握。它的治疗经常包括使用有很大副作用的强力免疫抑制药物，以及手术切除被感染的肠道部位。有两项证据能够证明，改变肠道微生物群落的构成是克罗恩氏病的一个有效的治疗方案。首先，已有数个研究在实验中改变了克罗恩氏病患者的肠道微生物群落。与其说肠道微生物群落是克罗恩氏病的病因，这更像是肠道感染的后果。 即便如此，克罗恩氏病的症状很有可能在群体移动模式的下游，形成一个导致更多感染的恶性循环。因此，调整肠道微生物群落足以能够打断这个恶性循环，将患者返还到无症状状态。其次，抗生素治疗经常能够有效治疗克罗恩氏病的发作。与其给患者大量的抗生素，肠道粪便移植更能够有效地将患者返还到无症状状态，并且没有二次艰难梭菌感染的危险。

    在不久的将来，应该能发明出一种含有多种菌株混合物的人造微生物群体。这种群体拥有一般自然群体的特征（比如说韧性），而且含有能够探测到炎症并制造出抗炎小分子或生物的工程物种。粪便移植有多方面的优点：它是一个单一的治疗并且长期有效；它不会像手术那么有创伤性，且价格实惠；它不会带来任何的继发性感染；最后，它还能够避开免疫抑制治疗的副作用。

综合菌细胞与哺乳生物细胞疗法：

    综合菌细胞与哺乳生物细胞的治疗会更有益于一些疾病，代谢综合征就是其中一个例子。综合细胞治疗能够同时降低从食物中获取的卡路里和降低食欲，从而提供一个很有效的解决方案。 肠腔中治疗细菌能够检测到糖的摄入并将其转化成不能吸收的发酵终产物，然后被二级发酵罐消耗。与此同时，它会发信号给位于肠上皮细胞基底面附近的治疗细胞来实行饱腹计划，包括产生像GLP-1之类的饱诱导肽激素。综合菌细胞以及哺乳生物细胞疗法很有可能同样需要类似自然信号通路一样的界之间的交流系统。

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确保细胞制剂的安全性

    发展任何疗法最大的两个难点就在于保证它的效率和安全性。以上章节已经介绍了细胞制剂潜在的效率，这一章我们将重点介绍细胞制剂的花费以及安全性来澄清目前对于细胞制剂的一些怀疑。细胞制剂的研发很有可能会与小分子制剂不同。我们必须要投入更多的精力来尽可能地优化细胞制剂的活性谱。但我们估计，细胞制剂不会像小分子制剂那样在晚期产生一些不曾预料到的问题并使得小分子制剂终止。

细胞的生命周期能够被仔细地控制：

    小分子和生物制剂最大的限制就在于它们的半衰期经常难以掌控。太短的半衰期会迫使频繁的用药或让一些候选药物不能被批准，而太长的半衰期则会有安全危险。

    细胞制剂的周期同时存在有利和不利因素。一方面来说，哺乳动物细胞制剂最主要的安全担忧就是这些修饰过的细胞是否会不被控制的分裂，成为循环癌细胞或造成实体瘤。但对于菌细胞制剂来说，它也能够突破表皮细胞或进入伤口而造成致命的感染。

    另一方面来说，一个细胞的周期能够在自然和非自然（工程设计）循环下被掌控。一般哺乳动物的细胞在端粒变得过短而不能继续生存之前只能分裂40次左右。另外，两种人造周期控制机制似乎很有前景。首先，制造一个让细胞在分裂特定数次后或收到一种扩散信号后自我摧毁的信号通路。其次，设计多种需要特定外来营养才能生存的营养缺陷型细胞，或设计药物敏感型细胞，能够被一些对身体无害的药物轻易杀死。

    如果能发展出可靠的机制来控制细胞分裂，那么细胞制剂将有显著的优势。理论上来讲，它会是一个永久有效的治疗（比如说，只有在疾病复发时才会扩展的记忆T细胞）。最后，唯一的安全因素就是亿万分之一的细胞在突变后能逃脱控制机制。即便如此，更有其他机制来降低并克服这极小的几率。

    美国食品和药物管理局（FDA）已经很好地诠释了小分子和生物制剂的效率以及安全性。如果管理机构对于细胞制剂开发出相似的标准并让未来的开发者们知道他们所需要达成的标准，这将会激励大量率先投资者去投资那些把重点放在研发细胞制剂的新公司。

细胞制剂研发有更大的希望？

    众所周知，即便小分子和生物制剂临床前的数据很有希望，临床实验的结果却并不稳定；研发一种新药并得以有关机构认同平均需要花费14年的时间，但失败率大于95%，而且成功将一种新药转为医疗实体的花费要大于20亿美元。因为细胞制剂更加复杂，普遍争议认为细胞制剂的临床效果更加难以预判。治疗细胞在它们的繁殖能力、局部化、行为以及行动机制上是否可靠且能被预测（比如说，一个工程设计的治疗免疫细胞在什么样的环境下会产生多少细胞因子）？工程设计的控制机制是否能够稳定地控制治疗细胞，即便在发生了突变的情况下，细胞制剂的长期影响有哪些？

    细胞制剂的复杂性虽然被各个研究者、投资者以及管理部门所猜疑，这却能让细胞制剂比小分子和生物制剂更能被有效预测。很多细胞内复杂的循环作用其实是在时间和空间上来限制其本身的行动。制造一种针对特别细胞而进行攻击的细胞制剂能够解决药物对于非目标细胞的副作用。同样的，使用一个可以自我控制的细胞能够克服药物所产生的毒性，比如说一个少见的多形体改变了身体循环内的药量。细胞制剂也有它自己的副作用，例如无法轻易消除这些细胞，细胞在不同组织环境下的稳定性，还有让这些细胞只针对我们所希望其针对的地方。但时间会证明细胞制剂的这些问题要比小分子和生物制剂更容易解决，因为相比其他制剂，我们能够添加或修改细胞自身的控制机制。

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建设细胞制剂的工业根基

    带着上述的这些挑战，细胞制剂这条路要如何前进才能使第三医药产业支柱展现它超乎寻常制剂产业的优势呢？在这里，应该利用其他的历史先例，更早的医药支柱是如何战胜对其的怀疑而成为有效的基础工业呢？

    在小分子和生物制剂时代的初期，产药的领域仅仅限制在天然形成的物质内，例如天然产物药物和从哺乳动物组织中提取的荷尔蒙。但几十年过后，这些产业已经被工程设计的物质所占领。化学家的精英们设计出完全人工制造的小分子使得瞄准特定目标、控制PK和PD、还有最小化降低毒性变得轻而易举。某种意义上而言，工程设计的小分子已在生物的领域占有无可替代的地位。例如，含有特殊定制PK值的胰岛素衍生物，还有能够以最少的免疫原性来识别特殊目标的人化抗体。

    这些先例提示我们要想细胞制剂拥有稳定的成长，必须开发出工程设计细胞的科学基础（图2）。这肯定是无可避免的。试想一下，如果不能打开碳-碳键，或没有理论能够判断出特定的变动将会怎么改变药物的PK、PD，和目标结合亲和力，我们如何开发新的小分子制剂？如果没有方法能够可靠并有效地造成位点专一突变，或没有能够判断出特定的突变将如何改变目标识别和免疫原性的知识，我们如何开发新的生物制剂？同样，如果没有平行细胞工程设计学，细胞制剂将没有特定的系统来有效设计可自我生长的细胞，只能继续依靠我们能否临时发现解决办法的运气。

    我们相信，如果能够加以赞助或建立新的跨学科专业，系统生物学与合成生物学的新领域一定可以发展出一个新的工程学，并使研究人员能够娴熟并可靠地控制细胞的行为。为了达成这个目标，细胞工程设计学必须有一些基础的能力。下面我们将介绍一些细胞工程师的工具箱内所必备的一些控制模块。

对于细胞增殖的掌控能力，确保细胞移植时的生存。 对于细胞死亡的掌控能力，需了解细胞自我控制机制和外界控制机制（安全开关）。 能够改变细胞对于特殊信号的移动和对于体内特定目标的移动然后保证它的工作（例如杀死、分化和治疗其他细胞）。 有能力在数量上掌控治疗细胞的反应，包括调整生效界线和响应幅度。此外，还要能特别控制细胞的反应种类（例如，分别掌控不同级种类的T细胞反应，包括细胞启动、细胞毒性和记忆细胞的产生）。 有能力重新设计细胞讯息传递，包括细胞之间、小分子与细胞间、还有生物与细胞间的讯息传递。我们也需要建立一种正交通讯系统，这种通讯系统能够给予医师无须药物或光便能够直接命令细胞的能力。 工程设计细胞内产生小分子和生物达到需求量，其能力需高于一般细胞的自然产生量。 不是临时做出修补，而需发展出能够调整以及修改细胞行为的系统性策略。复杂的工程科学的控制理论便是一个先例。使用这个理论，我们发明出了无数的调节装置，包括温度计、巡航控制系统和无人驾驶系统。控制理论建立于任何装置在任何情况下都只需要一定的控制系统数量这个基本的理念上，那么，我们对于细胞控制机制是否也能发明出类似理论呢？

    我们对未来充满期待，发明出细胞制剂的合理工程设计是一个令人十分兴奋、同时也令人生畏的想法。但是要记住，我们有能力控制细胞利用分子循环来达成精确的行为。所以，我们的期待在技术上是可行的。在基因工程设计细胞这个复杂性水平的挑战的确很令人生畏，但不能因此成为限制我们的绊脚石。即使是修改人类细胞，我们的能力也在以几何倍数增长。重要的是，在未来的5到10年内，我们一定要认识到该如何利用高科技基因工程设计技术而达成基因改动。就像当初合成化学和蛋白质工程设计的早期从业者们为了给未来制剂行业埋下结实的基础而修补并扩大他们的工具箱那样，向发展细胞制剂迈出简单而系统的步伐，目前正当其时。

（作者：罗全伟、沈颖）

参考文献：《Science Translational Medicine》2013;5:1-6