基因变异影响基因表达和蛋白质功能。DNA测序技术已发现数百万种与人类特征及疾病相关的遗传变化，但其中哪些变异具有危害性及其致病机制仍不明确。研究人员通过癌症细胞系研究基因变异效应，正逐步揭示癌症生物学机制和药物耐药性成因，为个性化治疗开辟新途径。本文探讨了科研人员用于研究获得性药物耐药性及特定基因变异对癌细胞生理影响的细胞模型方法，同时分析细胞作为模型系统或生物治疗产品生产载体时面临的挑战，重点关注细胞系工程的生物学后果。
开发细胞系以解析获得性药物耐药性
尽管医学进步显著，癌症仍是全球主要死因之一。改善患者预后（尤其是转移性疾病患者）的重大挑战在于药物耐药性的产生。初始对治疗有反应的癌症可能复发为耐药形态，这主要源于克隆进化过程——癌细胞通过累积突变不断扩张和分化。结果导致亲缘关系密切的肿瘤细胞对同一疗法反应各异。此外，抗癌治疗施加的选择压力加速克隆进化，降低治疗效果。
在肿瘤组织中研究耐药机制颇具挑战，因其需多次活检，而此类操作具侵入性且常不可行。液体活检技术虽使监测癌细胞进化更为便捷，但将这些信息转化为治疗决策仍需深入研究和临床验证。
肯特大学分子医学教授马丁·迈克利斯（Martin Michaelis）通过在抗癌药物环境中培养癌细胞，探究特定细胞对某些药物产生耐药性的原因及其对其他药物的易感性。他自20世纪80年代起维护耐药癌症细胞系（RCCL）收藏库。该收藏库源于德国法兰克福约翰·辛塔尔（Jindrich Cinatl）实验室，现已包含3000多种细胞系。
研究人员持续提高抗癌药物浓度培养细胞，建立稳定生长且对特定药物具有明确耐药性的亚细胞系。"建立对传统细胞毒性化疗药物耐药的细胞系需一年以上时间，"迈克利斯指出，"过程艰难、昂贵且劳动密集。"
细胞获得对一种药物的耐药性后，可测试其对其他药物的反应。"我们常发现对一种药物耐药的细胞表现出交叉敏感性，使其对其他药物更敏感，"他解释道。识别这些细胞的生物标志物最终或可指导治疗决策。
全球100多个学术界和工业界研究团队正在使用RCCL收藏库，应用组学方法深度表征细胞，为当前缺乏有效治疗方案的患者开发新型疗法。大量工作聚焦于理解靶向治疗耐药性的快速产生机制。例如，携带BRAF V600E突变的黑色素瘤患者通常对BRAF抑制剂初始反应良好，但细胞内补偿机制的发展会迅速导致耐药性。将BRAF抑制剂与靶向信号通路中相关蛋白的MEK抑制剂联用，可减缓这种快速耐药现象。细胞培养模型显示，黑色素瘤细胞对BRAF抑制剂治疗的适应速度远快于传统细胞毒性药物。
解析耐药机制绝非易事。迈克利斯等研究者发现，每种耐药形成过程均不相同。"若取一种细胞系并使其适应同种药物10-20次，将得到10-20种不同表型和药物耐药谱，"他表示。这种多样性使得建立大量细胞系并维护相应基础设施变得至关重要。
高通量筛选癌症相关突变细胞
研究癌细胞生物学及治疗前即存在的内在耐药机制的另一途径，是系统性敲除或编辑癌症相关基因。基因编辑技术使研究者能将这些突变引入细胞系，检验其对癌症进展、转移及治疗反应的独立和联合影响。
麻省理工学院（MIT）生物学助理教授弗朗西斯科·桑切斯-里维拉（Francisco Sánchez-Rivera）运用先导编辑技术（CRISPR技术的优化版本）研究遗传变异对癌细胞生长及药物反应的影响。先导编辑可在活细胞DNA中引入任意点突变、插入和缺失，且不产生传统CRISPR-Cas9方法特有的双链DNA断裂。"借助基因编辑技术，理论上可解析人类基因组中每个编码或非编码区域每种基因变异的影响，"他表示，"我们才刚刚触及表层！"
其团队已构建1000余种TP53肿瘤抑制基因（癌症患者中最常突变的基因）变体，研究其对肺腺癌细胞的影响。通过将先导编辑向导RNA与合成靶位点配对的高通量传感器策略，他们能大规模定量评估患者体内发现的遗传变异对细胞功能的影响。该工作凸显了基因剂量效应对蛋白质自然比例及其相互作用的影响。
桑切斯-里维拉对领域进展充满热情："基于CRISPR的技术使我们能以卓越精度和效率开展实验，现已助力我们建模并解析癌细胞的异常调控回路。"随着测序技术日益融入临床实践，这些知识将帮助为具有特定基因构成的肿瘤患者定制疗法。"未来5-10年将真正实现变革，"他预言。
细胞系操作面临的挑战
除监测细胞存活率、优化生长条件和避免污染等挑战外，首要障碍在于将遗传物质导入细胞（转染）的效率及基因表达水平的控制。
"我们常需测试多种递送方式，因不同细胞类型对转染的适应性各异，还需调整测试不同功能编辑报告基因，以确保细胞系能实现极高效率的编辑，"桑切斯-里维拉解释道。
其团队近期在尝试通过慢病毒将胞嘧啶和腺嘌呤碱基编辑器稳定导入小鼠B细胞急性淋巴细胞白血病细胞时遭遇重大挑战。为解决此问题，他们开发了稳定病毒向导RNA递送与瞬时mRNA电穿孔相结合的策略。利用该方法，他们构建了基于单基因变体的细胞模型，以及可体内检测数千种遗传变体的多重可扩展小鼠模型。
操作基因工程细胞时，需考虑缺失、修饰或新基因对细胞资源的影响，因其将制约细胞的基因表达能力。"每次用遗传构建体工程化细胞时，它们都会消耗细胞的酶、核苷酸和核糖体来表达这些构建体，"合成生物学家弗朗切斯卡·切罗尼（Francesca Ceroni）指出。她和同事已证实遗传构建体的引入会给哺乳动物细胞带来意外的"成本"或负担。
细胞资源被重新分配用于转录和翻译新基因，可能导致生长速率下降和表达量减少，从而限制生物治疗产品的生产。伦敦帝国理工学院的切罗尼团队专注于表征重组蛋白生产导致的细胞负担，并确定合成系统的优化设计规则以实现稳健的基因表达控制。他们正与多家制药公司合作，优化生物治疗产品的生产流程。
解决资源竞争和细胞负担问题对推进疾病建模、生物生产和细胞治疗等领域的细胞工程至关重要。切罗尼呼吁加强对原代细胞中资源竞争影响的研究。"我们需要进一步表征该问题，才能开发应对工具。"精确调节哺乳动物细胞基因表达化学计量比的方法（如秦等人开发的宿主无关可编程转录系统，可提升病毒样颗粒生产效率）将助力生物治疗产品生产优化。
"基因表达控制工具包仍显不足，"切罗尼表示。其团队正利用机器学习扩展设计空间，测试新组件并优化构建体表达。在生物制品生产领域，这可能是降低成本的关键。
她最后强调系统思维方法的重要性，特别是在开发生物治疗产品时。"不能仅关注细胞本身，必须仔细考虑工艺各组件（细胞、生长条件、细胞工程）间的相互作用。"
参考文献
- Subbiah V, Baik C, Kirkwood JM. BRAF与MEK抑制剂组合的临床开发. Trends Cancer. 2020;6(9):797–810.
- Gould SI, Wuest AN, Dong K 等. 利用先导编辑传感器文库高通量评估遗传变异. Nat Biotechnol. 2024:1–15.
- Acosta J, Johnson GA, Gould SI 等. 体内多重碱基编辑鉴定功能性基因-变体-环境互作. bioRxiv. 2025.
- Gabrielli J, Di Blasi R, Kontoravdi C 等. 瞬时和稳定工程化哺乳动物细胞中的降解瓶颈与资源竞争. Nat Commun. 2025;16(1):328.
- Di Blasi R, Gabrielli J, Shabestary K 等. 理解资源竞争以实现真核生物中可预测的合成基因表达. Nat Rev Bioeng. 2024;2(9):721–732.
- Jones RD, Qian Y, Ilia K 等. 通过工程化共价修饰循环实现哺乳动物细胞中稳健可调的信号处理. Nat Commun. 2022;13(1):1720.
- Qin C, Xiang Y, Liu J 等. 模块化可编程转录系统精确调控哺乳动物细胞多基因表达化学计量比. Nat Commun. 2023;14(1):1500.
作者简介
莫妮卡·霍约斯·弗莱特博士
自由科学撰稿人
莫妮卡是为研究人员、科研机构和企业提供写作与编辑服务的自由科学传播顾问。她拥有伦敦帝国理工学院神经科学博士学位，并在Springer Nature期刊担任编辑及爱丁堡大学研究传播经理方面经验丰富。她特别关注将研究成果和新兴技术转化为社会有用的产品和服务。
受访专家
弗朗切斯卡·切罗尼博士
高级讲师
弗朗切斯卡是英国伦敦帝国理工学院化学工程系高级讲师。她担任帝国理工合成生物学中心管理委员会委员，2018至2021年曾任世界经济论坛专家网络成员。其研究聚焦通过自下而上构建合成系统理解基因调控的复杂性。团队致力于基因工程化细菌和哺乳动物细胞，开发创新方法以减轻资源竞争负担并提升构建体性能。
弗朗西斯科·桑切斯-里维拉博士
助理教授
弗朗西斯科是麻省理工学院（MIT）生物学助理教授。其团队研究基因和疾病易感突变通过细胞和分子机制影响癌症等疾病发展的过程。为此，他们应用基于CRISPR的方法在活体动物细胞和组织中高效精准地工程化突变，大规模定量探究癌症变异并为新型治疗策略铺路。
马丁·迈克利斯博士
分子医学教授
马丁是英国肯特大学坎特伯雷分校分子医学教授，同时担任德国法兰克福Dr. Petra Joh研究所研究组长。其研究聚焦利用耐药癌症细胞系（RCCL）收藏库（含3000多种药物适应性癌细胞系的独特资源）探究癌症获得性药物耐药性。其他研究兴趣包括鉴定病毒毒力机制和治疗靶点，以及关注可重复性和伦理标准的生命科学实践元研究。他获德国法兰克福歌德大学药学学位和博士学位。
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