8年前，2014年，王義丹在華東師范大學(xué)入學(xué)。她在細(xì)胞里“編程”。

她沒想到，為了同一個研究課題，從碩士研究生到博士研究生，到博士后三年級，持續(xù)努力了8年，她終于設(shè)計出首個人工合成的抗病毒系統(tǒng)，并成功進(jìn)行了測試。投稿就投了兩年，論文終獲發(fā)表。

近日，相關(guān)論文在線發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。王義丹該是論文的第一作者。上述抗病毒系統(tǒng)的名字ALICE（愛麗絲）與電影《生化危機(jī)》中的女主角同名。她說，該系統(tǒng)成功模擬了人體的抗病毒免疫系統(tǒng)。

但既然人體本來就有抗病毒免疫系統(tǒng)，為什么還要人工合成一個？

該論文稱，在面對病毒性疾病時，免疫系統(tǒng)受損病患的并發(fā)癥和死亡風(fēng)險更大。而且，開發(fā)廣譜抗病毒藥物是防范大流行病的重要措施。

上述論文的通訊作者是華東師范大學(xué)葉海峰研究員和杜克-新加坡國立大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、美國微生物科學(xué)院院士、澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士王林發(fā)。

ALICEsen系統(tǒng)的原理設(shè)計圖（a），以及該系統(tǒng)對新冠病毒（SARS-CoV-2）等13種病毒的反應(yīng)（b）。

12月15日，葉海峰告訴澎湃科技（www.kxwhcb.com），ALICE系統(tǒng)可以被認(rèn)為新型的廣譜抗病毒的智能活體“藥物”，或智能化的機(jī)器人一樣的人造免疫系統(tǒng)。它能夠自動的監(jiān)測、感應(yīng)，病毒來了，它能自動被激活，輸出抗病毒蛋白，把病毒清除掉。它是“二合一”甚至“三合一”的加強(qiáng)版的免疫系統(tǒng)，綜合了人體細(xì)胞和細(xì)菌中的抗病毒“武器”；更重要的是，它是智能的閉環(huán)設(shè)計，有病毒時就啟動清除，沒病毒時就“沉默”，“沒人這么集成過”。它含有病毒傳感器、多重抗病毒輸出模塊等模塊，可以靈活調(diào)整，迭代更新。

加強(qiáng)版、多重抗病毒系統(tǒng)：閉環(huán)更智能

“病毒那么小，為什么危害那么大？”

王義丹說，上大學(xué)時，她就對病毒學(xué)研究特別感興趣，讀研時本來想考中國科學(xué)院武漢病毒研究所，但未能如愿，她隨后在華東師范大學(xué)攻讀碩士研究生學(xué)位。導(dǎo)師葉海峰在了解到她的研究興趣后，開始建議、指導(dǎo)、支持她做人工合成抗病毒系統(tǒng)的課題。“葉老師的想法很超前，那時候還是2014年。”

在常規(guī)的對抗病毒過程中，人體免疫系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)病毒后，會產(chǎn)生干擾素等“武器”，抑制或清除病毒。但這樣的過程需要數(shù)天甚至一兩周的時間才能完成。有時候遠(yuǎn)水解不了近渴。

此外，在臨床治療中，或防疫過程中，人們常常是先檢測到病毒，再針對性地服用藥物，或設(shè)計疫苗，存在一定的滯后性和局限性。

最新發(fā)表的ALICE系統(tǒng)，把發(fā)現(xiàn)病毒的“病毒傳感器”和對抗病毒的多重“武器”整合在一起，一“檢測”到病毒，就啟動清除程序，反應(yīng)時間縮短，在數(shù)小時內(nèi)就開始響應(yīng)。并且，該系統(tǒng)根據(jù)病毒的劑量進(jìn)行響應(yīng)，病毒多時，產(chǎn)生的抗病毒蛋白就多；病毒被清除后，系統(tǒng)“靜默”。

葉海峰表示，這樣的抗病毒系統(tǒng)是閉環(huán)的，自反饋和自調(diào)控，更加“自動、智能”。

示意圖：研究團(tuán)隊用“后羿射日”的典故比擬ALICE系統(tǒng)的作用原理。其中，裝載有ALICE基因線路的底盤細(xì)胞被比作后羿，不同類別的抗病毒功能蛋白被比作其武器箭矢。后羿精準(zhǔn)操控弓箭，擊碎病毒。

水凝膠包裹的細(xì)胞移植實驗顯示，在小鼠體內(nèi)，無論在病毒感染發(fā)生的前、中、后期，ALICE系統(tǒng)均能自動感知和抑制病毒。尤其值得注意的是，ALICE系統(tǒng)攜帶的中和抗體輸出模塊，可在病毒感染后的六小時自動輸出，比人體適應(yīng)性免疫系統(tǒng)產(chǎn)生中和抗體至少提早了一周。

論文顯示，ALICE系統(tǒng)含有多重抗病毒的功能模塊：人源的抗病毒細(xì)胞因子干擾素IFN-α和IFN-β的基因、來自細(xì)菌的可降解病毒核酸的Cas9蛋白的基因、以及人源的分泌型中和抗體的基因。

該系統(tǒng)的“病毒傳感器”是人體細(xì)胞中“天然”存在的接頭蛋白STING蛋白。該蛋白在細(xì)胞中“遭遇”病毒核酸時，將信號傳遞到細(xì)胞信號網(wǎng)絡(luò)中。

ALICE系統(tǒng)可以通過兩種方式被遞送到實驗對象體內(nèi)：一種是基因治療方式，利用基因治療載體進(jìn)行遞送；另一種是細(xì)胞治療方式，將上述系統(tǒng)重編程在細(xì)胞中，再把細(xì)胞移植到實驗對象體內(nèi)。

由腺相關(guān)病毒（AAV）載體遞送ALICE系統(tǒng)至皰疹性角膜炎（HSK）小鼠模型的眼角膜實驗結(jié)果顯示，實驗小鼠角膜、三叉神經(jīng)節(jié)以及大腦中的病毒載量得到抑制；并且面對病毒的迭代感染，也能發(fā)揮良好的抗病毒效果。

研究人員介紹，針對皰疹病毒HSV-1導(dǎo)致的皰疹性角膜炎，目前，臨床上治療HSV-1的常用方法是抗病毒藥物，如阿昔洛韋（ACV）等核苷類似物，這類藥物靶點單一，極易造成耐藥毒株的出現(xiàn)。而ALICE系統(tǒng)的出現(xiàn)，提供了一種靈活、創(chuàng)新、模塊化的抗病毒治療新策略。

投稿兩年：測試了13種病毒，包括新冠病毒

王義丹告訴澎湃新聞，雖然她對病毒學(xué)研究很感興趣，但對人工合成抗病毒系統(tǒng)的研究，“當(dāng)時真的是要放棄了，不想做了”。“（開始研究的）前兩年我們連在病毒培養(yǎng)方面都有很大的困難。”

王義丹說，碩博連讀期間，導(dǎo)師葉海峰給了她科研上最大的自由度和包容性，在自己感興趣的領(lǐng)域自由探索外，也建議她同步開展了其他課題，才讓她的博士研究生學(xué)位論文答辯順利通過。

今年是她在葉海峰研究員課題做博士后的第三年，即將出站。

而論文投稿過程也一波三折。

2020年，他們第一次投稿。“審了兩輪，補(bǔ)實驗補(bǔ)了兩次，改文章改了兩輪，審稿人最后還‘反水’了，認(rèn)為我們的系統(tǒng)還是沒法在臨床上解決問題，例如新冠肺炎的臨床問題。”葉海峰透露。他表示，該論文的核心貢獻(xiàn)之一是理念上的突破。傳統(tǒng)做病毒學(xué)研究，可能沒想過用合成生物學(xué)的思想，把病毒的傳感器與治療輸出模塊集成，形成一個閉環(huán)的傳感器系統(tǒng)，相當(dāng)于一個人造的免疫傳感系統(tǒng)。“這種思想，這種概念，我覺得是最創(chuàng)新的。”目前的實驗結(jié)果表明了應(yīng)用的潛力，但很難僅僅通過一篇論文，就能夠直接解決臨床問題。

隨后他們轉(zhuǎn)投到《自然·通訊》期刊。直到2022年12月9日論文正式在線發(fā)表，整個投稿過程長達(dá)2年時間。

細(xì)胞實驗顯示，ALICE系統(tǒng)可識別新冠病毒，并降低其拷貝數(shù)。

王義丹介紹，論文中，他們一共測試了5種細(xì)胞系，還測試了登革熱病毒（DENV-2）、乙肝病毒等13種病毒，其中包括新冠病毒（SARS-CoV-2）。

論文顯示，新冠病毒也能激活A(yù)LICE系統(tǒng)。HEK-293T細(xì)胞實驗結(jié)果顯示，與對照組相比，轉(zhuǎn)染了含中和抗體REGN10989和REGN10987的ALICE系統(tǒng)的細(xì)胞中，其新冠病毒的載量低了70.3%（±4.3%）。未來可以用最新發(fā)現(xiàn)的中和抗體來升級ALICE系統(tǒng)。

葉海峰表示，但上述關(guān)于新冠病毒的實驗只是細(xì)胞實驗，尚未進(jìn)行臨床試驗。其臨床應(yīng)用，還需要進(jìn)一步研究。上述新冠病毒的細(xì)胞實驗是在合作單位中國科學(xué)院武漢病毒研究所的P4實驗室（生物安全四級實驗室）中進(jìn)行。

葉海峰表示，“我們是有數(shù)據(jù)的，這個系統(tǒng)是能夠識別新冠（病毒），新冠病毒是能夠激活A(yù)LICE系統(tǒng)。”

他表示，在臨床應(yīng)用的概念設(shè)計中，以抗新冠為例，因為新冠病毒主要還是感染呼吸道，通過基因治療的方法，把ALICE系統(tǒng)噴入鼻腔，從而進(jìn)入其表皮細(xì)胞。當(dāng)呼吸到新冠病毒時，鼻腔表皮細(xì)胞中的ALICE系統(tǒng)被激活，快速輸出中和抗體，阻止新冠病毒后續(xù)的進(jìn)一步感染。

著名病毒學(xué)家、華東師范大學(xué)校友、杜克-新加坡國立大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、美國微生物科學(xué)院院士、澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士王林發(fā)。華東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 提供

在細(xì)胞里編程的人：“站在全人類的角度看待問題”

“他跟我說，你一定要站在全人類的角度看待問題。他這句話，一直都激勵著我。”

“做科研就是這樣，你要實實在在的解決問題。”

王義丹特別提及的這兩句話，來自著名病毒學(xué)家、華東師范大學(xué)校友、杜克-新加坡國立大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授、美國微生物科學(xué)院院士、澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士王林發(fā)。2018年，他回華東師范大學(xué)做講座，并開始對王義丹關(guān)于ALICE系統(tǒng)的研究給予指導(dǎo)。

葉海峰表示，“原本我們只想著用Cas9核酸酶把病毒的核酸降解掉，王林發(fā)老師就給我們一個建議，說你可以試試中和抗體，快速表達(dá)一個蛋白，直接中和也更好。后面我們又做了既輸出Cas9，又輸出中和抗體，然后后面我們還又做了輸出干擾素的，思路就打開了。”

華東師范大學(xué)葉海峰研究員

葉海峰表示，現(xiàn)在看起來簡單得像堆積木一樣，但其實ALICE系統(tǒng)研究的每一步都不容易。“一個細(xì)胞因子到底怎么表達(dá)？效率高不高？能不能分泌出來？（抗病毒）效果好不好？這些都要試。但最難的，我覺得是傳感器本身，如果這個傳感器不work，或者效果很差，沒有后面的應(yīng)用價值的，幾乎不會有效果。這里耽擱了蠻長時間。”

王義丹認(rèn)為，ALICE系統(tǒng)目前最接近臨床應(yīng)用的，可能是針對HSV-1病毒導(dǎo)致的皰疹性角膜炎。因為皰疹病毒會潛伏感染，目前常規(guī)的病毒藥物難以徹底清除病毒，但如果把ALICE系統(tǒng)制成滴眼液，滴在眼角膜上，可以實現(xiàn)抗病毒的“潛伏”部署。

葉海峰表示，做出像細(xì)胞機(jī)器人一樣的智能化活體藥物，“這是我的目標(biāo)。”最好是能夠口服的，吃下去之后能夠自動監(jiān)測生理狀態(tài)，當(dāng)生理狀態(tài)不好了，根據(jù)基因線路算法，細(xì)胞機(jī)器人能夠輸出藥物。

葉海峰提到，除了臨床應(yīng)用，他目前已經(jīng)接到關(guān)于獸藥研發(fā)方面的咨詢，比如關(guān)于非洲豬瘟、禽流感等動物疾病。

而據(jù)澎湃新聞此前報道，葉海峰課題組2017年報告了遠(yuǎn)紅光調(diào)控的轉(zhuǎn)基因表達(dá)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制細(xì)胞釋放胰島素來治療糖尿病的目標(biāo)；2018年，報告了遠(yuǎn)紅光調(diào)控的CRISPR-dCas9內(nèi)源基因轉(zhuǎn)錄激活裝置（FACE），可實現(xiàn)表觀遺傳操控以及誘導(dǎo)干細(xì)胞分化為功能性神經(jīng)細(xì)胞；2020年，報告了遠(yuǎn)紅光調(diào)控的分割型split-Cas9基因編輯系統(tǒng)（FAST），可對小鼠腫瘤中的致癌基因進(jìn)行編輯；2022年初，報道了新一代超靈敏光遺傳學(xué)工具（REDMAP），只要紅光照射1分鐘，實現(xiàn)糖尿病小鼠降血糖。

葉海峰表示，核心要義是人工設(shè)計，通過設(shè)計，人工構(gòu)建基因線路、基因開關(guān)、生物傳感器，最終達(dá)成目標(biāo)。

王義丹說，“可以這樣理解，我們是在細(xì)胞里面做編程，在細(xì)胞里面去編輯各種元件，讓它們程序化地來執(zhí)行功能。”“在電腦上設(shè)計好，然后再把它們合成出來，在細(xì)胞里面進(jìn)行測試。”

她說，研究ALICE系統(tǒng)的八年里，她也擔(dān)心過論文被其他人搶發(fā)，所以每天都要查合成生物學(xué)領(lǐng)域最新發(fā)表的“線路”、元件和設(shè)計，并加快實驗。

未來還敢迎接這樣的挑戰(zhàn)嗎？

王義丹說，“我覺得肯定沒問題，一方面堅持自己喜歡的課題，另外其他有實際應(yīng)用價值的課題也要做。”