《SCIENCE ADVANCES》：On-demand cancer immunotherapy via single-cell encapsulation of synthetic circuit–engineered cells
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本研究针对转移性癌症治疗中细胞因子释放综合征、脱靶分布和宿主排斥等挑战，开发了红光/远红光调控的单细胞封装（RL/FRL-EnE）系统。通过整合光遗传学与生物材料封装技术，实现了干扰素-γ（IFN-γ）、白细胞介素-6（IL-6）和抗CD47抗体的双向光控表达。该技术在肺转移瘤模型中显著抑制肿瘤生长（CD8+T细胞浸润增加2.8倍），同时避免系统性毒性，为闭环细胞免疫治疗建立了新范式。
癌症转移一直是肿瘤治疗中最棘手的难题之一，尤其肺转移更是导致实体瘤患者死亡的主要原因。传统疗法面临诸多局限：局部治疗难以清除微米级转移灶，化疗药物因肺泡毛细血管屏障导致肺组织浓度不足，而新兴的免疫疗法虽然展现出巨大潜力，却可能引发致命的细胞因子释放综合征（CRS）。以CAR-T细胞疗法为例，虽然对血液肿瘤效果显著，但约15-20%的患者会出现严重CRS，死亡率超过10%。这种"疗效与毒性并存"的困境，催生了对可精准调控的细胞疗法的迫切需求。
合成生物学的快速发展为这一挑战提供了新思路。通过设计合成基因电路，研究人员能够像编程计算机一样精确控制细胞行为，而光遗传学技术的引入，更让细胞治疗具备了"光控开关"的特性。然而，工程化细胞在体内面临着免疫清除、归巢效率低、功能持续性差等障碍。单细胞封装技术应运而生，通过生物相容性材料包裹单个细胞，既能保护细胞免受免疫系统攻击，又不影响其分泌功能，为细胞疗法提供了"隐形战衣"。
发表在《SCIENCE ADVANCES》的这项研究，巧妙地将光遗传学与单细胞封装技术相结合，开发出红光/远红光调控的封装工程化细胞（RL/FRL-EnE）系统。研究人员主要采用了四种关键技术：基于PhyA-FHY1的光遗传学调控系统构建、HRP-pHLIP融合蛋白介导的单细胞封装、透明质酸-多巴胺（HA-DA）水凝胶材料的合成与表征，以及小鼠肺转移瘤模型的建立与评估（所有动物实验均经郑州大学动物伦理委员会批准）。
设计并验证RL/FRL可切换的光遗传学系统
研究人员首先开发了红光诱导的细胞因子表达系统，其核心是截短的光感受器蛋白ΔPhyA与PCB色素结合后，能够在660纳米红光下与FHY1蛋白异源二聚化，激活下游基因表达；而在730纳米远红光照射下，该复合物迅速解离，终止转录。通过将ΔPhyA与Gal4 DNA结合域融合，FHY1与VP64转录激活域融合，构建了光控转录系统。在HEK 293T细胞中验证显示，系统能够实现IFN-γ、CD47抗体和IL-6的剂量依赖性表达，且具有完全可逆的调控特性。
开发酶介导的EnE细胞
研究团队创新性地利用HRP-pHLIP融合蛋白在细胞膜表面定向锚定，在过氧化氢存在下催化HA-DA交联形成纳米级水凝胶封装层。表征结果显示封装效率达90.3±2.1%，细胞活性保持92.4±3.1%，且显著增强了细胞对胰蛋白酶消化和离心应力的耐受性。重要的是，封装后的细胞仍能正常分泌碱性磷酸酶（SEAP），表明水凝胶层不影响蛋白质分泌功能。
EnE细胞的体内分布及可逆细胞因子释放
体内实验表明，HA封装的细胞凭借与CD44受体的高亲和力，在肺转移瘤中富集效果显著优于非靶向的PGA封装细胞。关键的是，尽管部分细胞会分布在肝脏，但通过局部光照可实现空间特异性激活——仅肺部照射就能选择性诱导肺内基因表达，而肝脏表达维持基线水平。血清检测证实，RL/FRL-EnE细胞能够实现细胞因子的可逆调控，远红光照射可使分泌水平降低80%以上。
光控细胞免疫治疗实现疗效-毒性解耦
在4T1-luc肺转移瘤模型中，RL/FRL-EnE治疗组表现出最强的肿瘤抑制效果，且避免了组成型表达细胞引发的白细胞增多和血小板减少等毒性反应。免疫分析显示，治疗组肿瘤微环境中免疫抑制性髓系细胞（SIRPα+巨噬细胞、M2巨噬细胞和MDSC）显著减少，而树突状细胞和CD8+T细胞浸润明显增加，分别提升1.4倍和2.8倍。
体内评估EnE细胞诱导的免疫应答
进一步的机制研究表明，RL/FRL-EnE治疗通过协调释放IFN-γ、CD47抗体和IL-6，形成协同抗肿瘤免疫级联：IL-6增强抗原呈递，IFN-γ诱导肿瘤细胞暴露"吃我"信号，而CD47抗体阻断CD47-SIRPα"别吃我"轴，共同促进巨噬细胞吞噬和肿瘤抗原交叉呈递，最终激活CD8+T细胞介导的肿瘤清除。
该研究成功建立了一种闭环可控的细胞免疫治疗新范式。通过光遗传学调控、单细胞封装和靶向递送的有机结合，实现了活细胞药物的按需激活和精准调控。这种"活体药物工厂"不仅延长了肿瘤局部驻留时间，还通过光控开关避免了系统毒性，为转移性癌症治疗提供了创新解决方案。尽管在组织穿透深度和细胞持久性方面仍需优化，但这项技术为发展非侵入性、个性化肿瘤治疗开辟了新途径，标志着合成生物学与免疫治疗交叉融合的重要进展。
