宾州大学公园治疗癌症有时感觉就像玩打地鼠游戏。这种疾病可能对治疗产生抗药性，而临床医生永远不知道何时、何地以及何种耐药性可能出现，这使他们落后一步。但是由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导的一个研究小组已经找到了一种方法来重新编程疾病的进化，并设计出更容易治疗的肿瘤。
他们创造了一个模块化的基因回路，将癌细胞变成“特洛伊木马”，使它们自我毁灭，杀死附近的耐药癌细胞。在人类细胞系和老鼠身上进行的概念验证表明，该电路战胜了大范围的电阻。
这些发现发表在今天(7月4日)的《自然生物技术》杂志上。研究人员还为论文中描述的技术提交了临时专利申请。
“这个想法源于挫败感。Justin Pritchard, Dorothy Foehr Huck和J. Lloyd Huck早期职业创业副教授和论文的资深作者说:“我们在开发治疗癌症的新疗法方面做得还不错，但我们如何考虑更多晚期癌症的潜在治疗方法呢?”“选择基因驱动是进化引导的抗癌治疗的一个强大的新范例。我喜欢这个想法，我们可以利用肿瘤进化的必然性来对抗它。”
新的个体化抗癌药物常常失败，不是因为治疗方法不好，而是因为癌症固有的多样性和异质性，Pritchard说。即使一线治疗是有效的，耐药性最终会产生，药物也会停止作用，让癌症复发。然后，临床医生发现自己又回到了起点，用一种新药重复这个过程，直到耐药性再次出现。这种循环随着每一种新的治疗方法而升级，直到没有进一步的选择。
“你在玩打地鼠游戏。你不知道下一个痣会长出来，所以你不知道治疗肿瘤的最佳药物是什么。我们总是处于后发制人的状态，毫无准备，”生物医学工程博士后学者、该研究的主要作者斯科特·利高(Scott Leighow)说。
研究人员想知道，他们是否能领先一步。在癌细胞有机会进化和意外出现之前，它们是否有可能消除耐药性机制?他们能强迫一个特定的“内奸”出现在董事会上，一个他们喜欢并准备对抗的人吗?
一开始的思想实验被证明是有效的。该团队创建了一个模块化电路，或双开关选择基因驱动，将其引入具有EGFR基因突变的非小肺癌细胞。这种突变是市场上现有药物可以靶向的生物标志物。
这个电路有两个基因或开关。开关1就像一个选择基因，允许研究人员打开和关闭耐药性，就像一个灯的开关。随着开关1的开启，基因修饰的细胞暂时对一种特定的药物产生抗药性，在这种情况下，对一种非小剂量的肺癌药物产生抗药性。当用这种药物治疗肿瘤时，天然对药物敏感的癌细胞被杀死，留下的是经过修饰的具有耐药性的细胞和一小部分具有耐药性的天然癌细胞。经过修饰的细胞最终会生长并排挤出原有的耐药细胞，阻止它们扩大和进化出新的耐药性。
由此产生的肿瘤主要含有转基因细胞。当第一个开关关闭时，细胞又变得对药物敏感。开关二是治疗载荷。它含有一种自杀基因，可以使被改造的细胞制造一种扩散毒素，这种毒素能够杀死被改造的细胞和邻近的未被改造的细胞。
普里查德说:“它不仅杀死了工程细胞，还杀死了周围的细胞，即天然的抗性细胞。”“这是至关重要的。这是你想要清除的人群，这样肿瘤就不会再长出来了。”
该团队首先模拟了肿瘤细胞群，并使用数学模型来验证这一概念。接下来，他们克隆了每个开关，将它们分别包装成病毒载体，并在人类癌细胞系中分别测试它们的功能。然后，他们将两个开关连接成一个电路，并再次进行测试。当这个电路在体外被证明有效时，研究小组在老鼠身上重复了这个实验。
然而，该团队不仅想知道电路是否有效;他们想知道它在任何方面都能起作用。他们使用复杂的抗性变异基因库对该系统进行了压力测试，以观察基因驱动是否能够足够强大地发挥作用，以对抗所有可能在癌细胞群中发生抗性的遗传方式。
这种方法奏效了:只需要少量的工程细胞就可以接管癌细胞群，消除高水平的遗传异质性。普里查德说，这是这篇论文在概念上和实验上最大的优势之一。
“美妙之处在于，我们能够在不知道癌细胞是什么的情况下靶向它们，而不是等待它们生长出来或产生耐药性，因为到那时就太晚了，”利高说。
研究人员目前正在研究如何转化这种基因回路，以便将其安全地、有选择地输送到生长中的肿瘤中，最终转移到转移性疾病中。
宾夕法尼亚州立大学的其他论文作者包括生物学副教授马可·阿卡蒂(Marco Archetti);姚顺，生物学博士后;Ivan Sokirniy，哈克生命科学研究所的研究生;以及生物医学工程系的Joshua Reynolds和Zeyu Yang。合著者Haider Inam在研究时是生物医学工程的博士生，目前是麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的研究科学家。加州大学圣地亚哥分校教授多米尼克·沃达兹(Dominik Wodarz)也参与了这篇论文。
哈克生命科学研究所的HITS基金、国家癌症研究所和国家生物医学成像和生物工程开拓者奖支持这项工作。
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