基因治疗和细胞治疗作为现代医学的重要发展方向，被视为继传统小分子药物和抗体药物之后的“第三支柱”，为许多传统医学难以攻克的疾病提供了全新的治疗思路。然而，随着这些新兴疗法的不断发展，如何实现治疗蛋白的精准、动态和可逆表达，以及如何提高治疗的安全性、便捷性和患者依从性，成为了亟待解决的关键问题。

在这样的背景下，开发高效的基因开关成为了推动基因治疗和细胞治疗进一步发展的关键。理想的基因开关需要具备生物可用性高、可逆性强、动态调控灵活以及患者友好等特点。然而，目前现有的基因开关大多存在生物利用度低、副作用多、药代动力学不佳等问题，难以满足临床需求。

一氧化氮（NO）作为一种重要的气体信号分子，在人体中参与多种生理过程，其相关的信号通路已被广泛研究。NO具有生物相容性高、作用短暂且局部、代谢产物无毒性等特点，其供体药物（如硝酸甘油）已被用于临床治疗心血管疾病超过130年，具有良好的安全性和生物利用度。这些特性使得NO信号通路在基因开关的设计中展现出了巨大的潜力。

巴塞尔大学Martin Fussenegger等人提出了一种基于NO的基因开关系统（hNORM），通过硝酸甘油贴片实现对治疗蛋白的按需释放。相关内容以“Nitroglycerin-responsive gene switch for the on-demand production of therapeutic proteins”为题发表在《Nature Biomedical Engineering》上。

【主要内容】

图1：hNORM系统的设计原理

该系统利用硝酸甘油（NG）作为触发剂，通过人类细胞内的一系列生物化学反应，实现治疗蛋白的按需表达。具体机制为：NG在细胞内被ALDH2（乙醛脱氢酶2）转化为NO，NO激活可溶性鸟苷酸环化酶（sGC），进而产生环磷酸鸟苷（cGMP）。cGMP通过激活蛋白激酶G（PKG1）放大信号，最终磷酸化转录因子CREB，启动目标基因的表达。

图2：hNORM在哺乳动物细胞中的工程化验证

研究者首先在HEK-293细胞中测试了NO供体（如DETA NONOate和SNAP）对基因表达的调控能力，发现单独表达sGC（可溶性鸟苷酸环化酶）的细胞对NO的响应不足。进一步引入PKG1后，系统对NO的敏感性显著增强，表明PKG1在信号放大中的关键作用。此外，研究还测试了hNORM在不同细胞系（包括人类和啮齿动物细胞）中的表现，结果表明该系统具有广泛的细胞兼容性。

图3：hNORM系统的功能和特性

该系统具有高灵敏度和可逆性，能够通过NO供体（DETA NONOate）实现对目标基因（如NLuc荧光素酶）的高效诱导。此外，研究还通过实时成像和基因表达分析验证了系统的可逆性和动态调控能力。同时，实验还测试了甲苯蓝（一种sGC抑制剂）对系统的调控作用，结果表明甲苯蓝能够有效抑制NO诱导的基因表达。

图4：hNORM系统的体内应用验证

研究者将HEK_hNORM1细胞封装后植入小鼠皮下，并通过皮肤贴片递送NG以激活系统。结果显示，NG贴片能够精确控制封装细胞中目标蛋白（NLuc）的表达，并且这种调控具有良好的可逆性和局部性。进一步实验表明，通过额外表达ALDH2（硝酸甘油的代谢酶），可以显著提高系统的响应效率和体内性能。此外，实验还验证了系统的特异性，即只有将NG贴片放置在植入部位附近时，才能有效激活hNORM系统，从而减少了潜在的系统性副作用。

图5：hNORM系统对2型糖尿病小鼠的治疗效果

研究者通过封装的HEK_hNORM3细胞（表达GLP-1）实现了对血糖水平的长期调控。实验中，小鼠接受NG贴片治疗后，体内GLP-1水平显著升高，血糖水平恢复正常，且持续了35天的治疗期间。重要的是，该系统在调控血糖的同时，并未对小鼠的心率或血压产生显著影响，表明其在治疗代谢性疾病方面的潜力和安全性。此外，实验还通过胰岛素水平、胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）以及体重变化等指标，进一步验证了hNORM系统对2型糖尿病的治疗效果。

图6：hNORM系统对2型糖尿病小鼠代谢指标的长期改善

结果显示，经过35天的NG贴片治疗，小鼠的胰岛素水平、糖化血红蛋白（HbA1c）水平以及体重均得到了显著改善，表明该系统不仅能够快速降低血糖，还能在长期内维持代谢稳态。此外，通过葡萄糖耐受性测试（GTT）和胰岛素耐受性测试（ITT），研究者验证了hNORM系统对小鼠代谢功能的全面恢复能力。

【全文总结】

本文提出的hNORM系统为基因治疗和细胞治疗提供了一种新型的、非侵入性的控制手段，有望推动个性化医疗的发展。该系统不仅能够实现治疗蛋白的精准调控，还能提高慢性疾病的治疗效果和患者的生活质量。未来，hNORM系统有望在更多疾病模型中进行验证，并进一步探索其临床应用的可能性。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41551-025-01350-7

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