Nature | 自驱动实验室、先进免疫疗法及2025年值得关注的另外五项技术

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CAR-T疗法的核心在于对患者自身T细胞的基因改造，使其具备识别并攻击癌细胞的能力。研究人员首先从患者体内分离出T细胞，利用基因工程技术在其表面嵌合一个特定的抗原受体（CAR）。这个受体能够精准识别癌细胞表面的特异性蛋白，并激活T细胞对癌细胞进行靶向攻击。

这一技术在血液瘤的治疗中已展现出极高的疗效。例如，对于某些类型的白血病和淋巴瘤，CAR-T疗法的完全缓解率超过了50%，为许多病情复杂的患者带来了希望。由于其精准的靶向性和强大的免疫应答能力，CAR-T疗法被誉为“活体药物”，开创了癌症治疗的新纪元。

在实体瘤治疗上的突破与挑战

尽管CAR-T疗法在血液瘤治疗中成效显著，但其在实体瘤领域的应用面临着更多挑战。实体瘤的复杂性主要体现在肿瘤微环境、抗原异质性以及免疫抑制等方面。

以脑部恶性肿瘤胶质母细胞瘤（glioblastoma）为例，这种侵袭性极强的实体瘤长期以来是肿瘤治疗的“禁区”。2024年， 麻省总院 的研究团队成功开发了一种针对特定脑部肿瘤抗原的CAR-T细胞，并在实验中观察到胶质母细胞瘤快速缩小的现象。然而，尽管初期疗效显著，但部分患者的治疗反应未能长期维持。这提示研究人员，如何应对实体瘤复杂的免疫抑制微环境，是未来发展的关键。

此外，针对胃肠道肿瘤和儿童脑癌的研究也取得了初步成功。研究人员逐步优化CAR-T细胞的设计，以提高其在实体瘤中的渗透能力和持续杀伤效果。如果能够识别更多实体瘤特异性抗原并改善CAR-T细胞的持久性，这一疗法将在未来拥有更广泛的应用潜力。

对自身免疫疾病的新疗法展望

CAR-T疗法的潜力不仅局限于癌症治疗。在自身免疫疾病领域，针对B细胞相关病理的CAR-T疗法展现出了非凡的治疗前景。例如，在2021年的一项研究中，德国埃尔兰根-纽伦堡大学的团队成功利用CAR-T技术治疗了一名患有重度系统性红斑狼疮（SLE）的年轻女性。治疗后，患者的症状完全消失，并无需再服用免疫抑制药物。

此后，研究团队又进一步验证了该技术的效果，在包括多发性硬化症在内的多种自身免疫疾病中均取得了良好的疗效。这些研究表明，CAR-T疗法有可能从根本上抑制异常B细胞产生的自体抗体，提供长期甚至永久的疾病缓解。

尽管CAR-T疗法的成本和技术复杂性限制了其广泛应用，但其在治疗难治性疾病方面的潜力不可忽视。研究人员正努力通过简化生产工艺和降低治疗费用，使更多患者能够从中受益。

从废塑料到可持续的未来：微生物的环境修复潜力

塑料污染已经成为21世纪环境问题的代表性难题。据统计，每年有数百万吨塑料废弃物进入自然环境，逐渐分解为难以察觉但极具危害的微塑料颗粒（microplastics）。在这场对抗污染的战斗中，微生物被视为自然界的秘密武器。通过深入研究微生物降解塑料的科学原理，研究人员正在探索一条通向可持续发展的道路。

塑料的分解难度源于其高分子化学结构，这些结构具有极强的稳定性。然而，某些微生物具有利用塑料为能量来源的能力。它们通过分泌特定的酶，将复杂的塑料聚合物分解为更小的化学单体，从而实现降解和代谢。

据《塑料活性酶数据库》（Plastics-Active Enzymes Database）显示，目前已知超过230种天然酶可以降解塑料。然而，这些酶的降解效率较低，通常需要数月甚至数年的时间才能完成分解。因此，研究人员正致力于通过蛋白质工程和实验室进化技术优化这些酶的活性和稳定性，使其能够更高效地降解塑料。例如，英国布鲁内尔大学的Ronan McCarthy团队通过诱导塑料降解细菌在塑料表面形成密集的生物膜（biofilms），显著提高了降解效率。生物膜的作用不仅在于稳定酶的分泌，还能避免酶被环境因子稀释或冲刷，从而提高其长期活性。

RAPIMER等新技术如何应对“永久性化学品”问题

除了塑料，环境中还有一种被称为“永久性化学品”（forever chemicals）的难降解污染物，它们包括全氟和多氟烷基物质（PFASs）。这些化学物质因其强大的化学稳定性和抗降解能力，被广泛用于工业生产，却也因此成为环境中的顽固污染源。

在这方面，美国密苏里大学的Susie Dai团队研发了一种名为RAPIMER的技术，利用白腐真菌（white-rot fungus）的独特能力分解这些污染物。RAPIMER平台通过将真菌种植在由天然纤维构成的人工支架上，让这些纤维吸附环境中的污染物，再利用真菌的降解能力分解有害化学物质。该系统尤其适用于污水处理厂和污泥处理设施，具有高度的可操作性和环境友好性。

RAPIMER的创新不仅体现在其对PFASs的降解能力，还体现在其可扩展性。通过改进培养条件和真菌品种，这一技术有望应用于更多类型的污染物处理，成为解决工业废弃物问题的关键工具。

微生物环境修复的监管与应用前景

尽管微生物修复技术展现了巨大的潜力，但其实际应用仍然面临诸多挑战。首先，天然微生物的降解能力有限，如何通过基因工程手段优化微生物功能，同时确保其生态安全性，是一个重要议题。此外，基因改造微生物的使用在许多国家受到严格监管，公众对于转基因生物的接受程度也可能影响其推广。

为了应对这些问题，英国环境生物技术创新中心（Environmental Biotechnology Innovation Centre）已启动多项研究计划，探索如何安全高效地部署基因改造微生物。研究人员建议，在环境中释放工程微生物之前，应建立明确的监控和回收机制，以防止其对生态系统造成潜在威胁。

尽管如此，微生物环境修复技术的前景依然令人振奋。研究人员相信，只要具备足够的酶学潜力和优化手段，微生物几乎可以应对任何种类的污染物。正如McCarthy所言，“如果微生物体系中存在可降解的酶，那么几乎没有它无法应对的问题。”

从微生物降解塑料到处理永久性化学品，研究人员正在探索如何将自然界的智慧转化为解决环境问题的技术力量。尽管这一过程充满挑战，但通过科学创新和跨领域合作，我们正逐步迈向一个更清洁、更可持续的未来。微生物修复技术不仅是一场科技革命，更是一场关系人类命运的环保行动。

大模型与生物学：解锁生命奥秘的新钥匙

在快速发展的生物学研究中，数据的爆炸式增长为探索生命奥秘提供了前所未有的机会。然而，这一领域也面临着巨大的挑战：如何从海量的基因组数据中提取有意义的信息？人工智能（AI）的崛起，特别是基础模型（Foundation Model）的应用，为这一难题带来了突破性的解决方案。通过构建和训练在海量数据上运行的大模型，科学家得以揭示基因组中的深层联系，解锁生命的密码。

基础模型是一种大型AI算法，通过在海量未标记数据上进行预训练，生成可以广泛应用于多任务的通用模型。例如，ChatGPT通过从互联网文本中学习语言模式，能够生成自然语言对话。同样的原理也适用于生物学数据领域。基础模型通过学习基因组序列、基因表达数据或DNA修饰模式中的复杂关系，生成一个多功能模型，可以进行数据分类、预测、设计等多种任务。

这种通用性极大地优化了科研工作流。以往，研究人员需要针对不同的研究目标设计单独的计算模型，而基础模型的出现打破了这一限制，为生物学研究提供了一种更加高效的工具。

单细胞转录组（scGPT）如何推动基因组研究

单细胞转录组（single-cell transcriptomics）技术的发展为揭示细胞间复杂关系提供了前所未有的视角。然而，面对数百万甚至数千万细胞的海量数据，传统的分析方法往往难以胜任。2024年，加拿大多伦多大学的团队开发了一个名为“scGPT”的基础模型，通过在超过3300万个单细胞转录组数据上进行训练，实现了多个领域的突破。

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