基于生物回路的传感器

合成生物学的进展历来集中在遗传回路范式上，以期组装在转录调控下运作的感知和反应生物回路。虽然人们已经在原核和真核细胞中实现复杂的功能，并将其应用于细胞疗法、药物递送、分子成像和生物传感器。例如，细菌已经过基因工程改造，可以检测临床上有用的生物标志物，或在生物流体中产生合成生物标志物。在哺乳动物细胞中，使用AND、OR或NOT门逻辑的肿瘤抗原传感电路能够对T细胞反应进行可编程控制，以降低毒性

与此同时，无细胞和无基因生物回路因其可降低临床转化障碍的潜力而受到关注，这些回路可同时保留了执行逻辑功能的能力。例如，调节蛋白质翻译以响应细胞类型特异性生物标志物或小分子诱导物的RNA开关可以在没有基因工程的情况下通过脂质纳米颗粒递送。最近的工作还强调了合成纳米材料的潜力，尽管它们不含细胞和基因，但可以应用逻辑来提高检测精度。这些材料包括基于蛋白酶活性数字化药物递送的发夹肽前药、成像探针，以及利用蛋白酶混杂作为类似框架对生物样品进行分类的传感器。

新型纳米传感器

在此，乔治亚理工学院Gabriel A. Kwong等人报告了基于活性的纳米传感器，该传感器可通过双不稳定环肽在没有遗传片段的情况下实现与门逻辑。当且仅当被一对特定蛋白酶切割时，这些酶才会通过释放报告子来启动。因此，检测CD8 T细胞分泌的颗粒酶B蛋白酶和癌症细胞过表达的基质金属蛋白酶的伴随活性的AND-门控纳米传感器确定了细胞毒性T细胞杀死肿瘤细胞的独特条件。在临床前小鼠模型中，AND门控纳米传感器可将对免疫检查点阻断治疗有反应的肿瘤与对其有抵抗力的B2m^-/-肿瘤区分开来，并在急性流感感染期间，将来自没有共定位蛋白酶表达的组织（包括肺）的信号最小化，并在组织中局部或尿液中远端释放报告基因，以便于检测。相关工作以“AND-gated protease-activated nanosensors for programmable detection of anti-tumour immunity”为题发表在Nature Nanotechnology。

【文章要点】

如图1所示，作者描述了一种无细胞和无基因的与（AND）门控纳米传感器设计，它需要一对蛋白酶来激活，从而提高了特异性。为了实现门控纳米传感器，作者合成了一种细胞毒性T细胞分泌的颗粒酶B（GzmB）选择性线性肽（IEFDSG25,26）和一种含有两个底物拷贝的环肽。当且仅当两个侧翼底物都被切割时，环肽才会释放报告子。为了证实不对称环肽可以执行与门逻辑，作者还合成了一种含有GzmB底物和底物APAALRAA的环肽，其线性肽对MMPs具有广泛的活性，同时对GzmB和其他脱靶蛋白酶的活性可以忽略不计。鉴于游离肽的循环半衰期较短，作者还通过将环肽与IONP偶联来进一步配制AND门控纳米传感器，IONP可以延长循环并降低肽的肾脏清除率，使用聚乙二醇化交联剂则可以限制网状内皮系统的摄取。

图1 非对称双不稳定环肽纳米传感器实现与门逻辑

虽然通过环化限制肽的构象会降低对蛋白水解的敏感性，但纳米粒子（NP）上的多价呈递会增加局部底物浓度，并使酶能够在NP上的底物之间“跳跃”，从而提高切割率。因此，研究显示，将肽与IONP偶联可以创建每个IONP约40个肽的多价构建体，与线性肽的约6.6倍相比，环肽的催化效率提高了约21.7倍（图2）。此外，为了确定最佳的表面化合价，作者合成了每个IONP化合价为2至197个肽的纳米传感器。研究观察到，初始切割速度随着化合价的增加而增加，当每个IONP偶联~44个肽达到最大值，之后化合价进一步增加会降低切割动力学，这可能是由于过度拥挤的空间效应造成的

图2 多价呈现改善了蛋白水解动力学

研究表明，与门逻辑提高了对抗肿瘤反应的特异性，并在肿瘤外抗病毒免疫过程中没有共定位的MMP活性的情况下最大限度地减少了检测T细胞分泌GzmB的检测限。在小鼠模型中，作者证明，由肿瘤中的基质金属蛋白酶（MMPs）和细胞毒性T细胞分泌的颗粒酶B（GzmB）组合激活的AND门控纳米传感器可以在免疫检查点阻断治疗（ICBT）期间选择性地检测抗肿瘤反应，同时最大限度地减少急性病毒感染期间来自包括肺部在内的肿瘤外部位的激活（图3）。

图3 与门控纳米传感器检测ICBT过程中的抗肿瘤反应

【结论与展望】

在我们的研究中，我们使用and门控纳米传感器的瘤内和全身递送验证了检测策略。ICBT已获得浅表肿瘤和源自深层组织的癌症的一线批准51,52。展望未来，我们设想肿瘤内评估可以在门诊环境中快速应用于浅表肿瘤，补充基于成像的方法，如计算机断层扫描（CT）和正电子发射断层扫描（PET）。全身给药可能适用于深层组织的癌症，这可以在未来的工作中使用原位模型进行评估。此外，化疗通常与二线ICBT51,52一起或之前用于一线联合治疗。虽然化疗可以诱导MMP介导的过程，如伤口修复和组织重塑53,54，但我们发现，当铂化疗先于ICBT时，and门控纳米传感器保持了最小的肿瘤外激活，同时产生了更高的肿瘤内信号，这与化疗引起的免疫原性细胞死亡可能使肿瘤对ICBT敏感并增加抗肿瘤反应的证据一致70,71。

总体而言，我们的结果表明，AND门控纳米传感器在没有遗传电路的情况下实现了合成逻辑，在蛋白酶对激活后产生检测信号，这对特定组织部位的疾病和药物反应的局部检测具有重要意义。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-024-01834-8

Tags： 纳米传感器，最新Nature Nanotechnology，选择性检测抗肿瘤反应