新細菌“注射器”能破解基因治療遞送難題嗎？

3月29日，美國麻省理工學院—哈佛大學博德研究所張鋒團隊在《自然》雜志在線發(fā)表的論文中宣布，通過AlphaFold輔助蛋白質設計開發(fā)了一種新的蛋白質遞送系統(tǒng)——改造、利用獨特的細菌“注射器”將蛋白質注射到人類細胞中。

上?？萍即髮W生命科學與技術學院王皞鵬教授表示，這項研究為蛋白質精準遞送技術的設計和開發(fā)提供了新方向，為將來在基因治療、癌癥治療、生物防治、核酸遞送等領域的應用奠定了技術基礎。但相關應用還需要進一步的研究和開發(fā)。

華東師范大學生命科學學院研究員吳宇軒認為：“這一系統(tǒng)在細胞靶向特異性方面展現(xiàn)出的出色效果令人振奮，但其遞送效率仍有一定的提升空間，體內遞送的長期安全性也需要更多更具說服力的研究數(shù)據(jù)支撐。而針對遞送效率、特異性、安全性等的充分研究是臨床應用前不可或缺的?！?/p>

精準、靈活的細菌“注射器”

內共生細菌是一類特殊的細菌，可以寄生在宿主細胞內部，它已經進化出復雜的遞送系統(tǒng)，使其能夠分泌調節(jié)宿主細胞的生物因子。細胞外收縮注射系統(tǒng)（eCIS）就是一個例子，它是一種類似注射器的大分子復合物，可以通過在細胞膜表面誘導出一個刺突蛋白，從而將攜帶的蛋白質有效載荷注入到真核細胞中。

張鋒團隊選擇了來自生物發(fā)光細菌Photorhabdus asymbiotica的eCIS——PVC。PVC有效載荷蛋白的N端高度無序區(qū)域是其“包裝結構域”，只要將其與想要遞送的蛋白融合，就能將其加載到PVC復合體中。隨后，他們利用預測蛋白質結構的人工智能程序AlphaFold設計了修改尾部纖維蛋白的方法，使其能夠精準地靶向人類細胞表面表達的不同蛋白。

通過對eCIS的進一步改造，張鋒團隊可以使用這一系統(tǒng)遞送不同類型的蛋白載荷，他們已經在體外實驗中成功遞送了CRISPR基因編輯系統(tǒng)中的Cas9蛋白，以及另一類用于基因編輯的鋅指蛋白。在小鼠的體內實驗中，這種經過改造的遞送系統(tǒng)也可以將蛋白遞送到小鼠大腦的神經元中。

PVC遞送系統(tǒng)將有哪些應用潛力？王皞鵬認為，它可以應用于基因治療、癌癥治療、生物防治和核酸遞送4個方面?！半m然作者沒有在文中成功實現(xiàn)核酸的遞送，但是目前有研究利用病毒肽構建病毒樣顆粒實現(xiàn)核酸的遞送將病毒肽與DNA結合，然后將病毒肽包裹在PVC內，可能也可以利用PVC系統(tǒng)實現(xiàn)核酸遞送。”

具有高度靶標特異性，但效率有待提升

吳宇軒的研究方向之一是通過CRISPR基因編輯治療以地中海貧血為主的血液疾病。他表示，張鋒團隊研發(fā)的PVC遞送系統(tǒng)表現(xiàn)出高度的靶標特異性，能有效地將載荷遞送到擁有特定表面受體的細胞中。尤其是在人和小鼠細胞的靶向特異性測試中，展現(xiàn)了接近100%的靶向特異性。另一方面，該系統(tǒng)的靶向特異性可以通過對尾部纖維蛋白的合理改造來實現(xiàn)，這表明PVC展現(xiàn)出的高特異性是便于改造和拓展的，這給利用該系統(tǒng)進行細胞或組織特異性的體內蛋白靶向遞送提供了廣闊的想象空間。

吳宇軒指出，這一遞送系統(tǒng)的遞送效率仍有待提升?！霸撗芯恐姓故镜幕赑VC的遞送系統(tǒng)進行體外細胞系基因編輯的效率僅有12%左右，距離各種疾病使用基因編輯進行治療的效率閾值仍有差距?！?/p>

另一方面，如果要將該遞送技術應用于體內，考慮到遞送損耗以及體內細胞所處環(huán)境的復雜性，該遞送系統(tǒng)所產生的編輯效率可能會進一步下降。“與目前常用的AAV載體相比，基于PVC的遞送系統(tǒng)顆粒大?。s116nm）相較于前者（約25nm）較大，和納米脂質體顆粒（LNP，約60nm—200nm）大概相當。過大的包裝體積，可能給體內實質組織中的深層細胞的高效率遞送造成一定的困難。并且，基于本項和前人關于PVC系統(tǒng)的研究，我們推測，該系統(tǒng)的包裝遞送效率可能也會受到載荷蛋白大小的影響，這可能是該遞送系統(tǒng)針對體外細胞的編輯效率過低的一個可能的原因?！?/p>

基因編輯知名科學家為何轉向遞送系統(tǒng)研究？

張鋒是基因編輯領域先驅科學家。2013年1月，張鋒團隊首次將CRISPR基因編輯技術應用于哺乳動物和人類細胞。2013年年底，張鋒及其他4位基因編輯先驅科學家合伙創(chuàng)立了基因編輯公司Editas Medicine，創(chuàng)始團隊包括2020年因開發(fā)基因編輯技術而獲得諾貝爾化學獎的詹妮弗杜德納，以及堿基編輯先驅劉如謙。

2023年2月，張鋒聯(lián)合創(chuàng)建的新銳基因編輯公司Aera Therapeutics完成了近2億美元融資，將進一步優(yōu)化根據(jù)其實驗室研究開發(fā)的蛋白納米顆粒（PNP）遞送平臺技術。劉如謙的研究團隊也正在開發(fā)基于病毒樣顆粒（virus-like particles, VLP）的遞送工具。此外，還有多家新銳公司專注于開發(fā)創(chuàng)新載體。

吳宇軒也注意到了張鋒和劉如謙的動向。他認為，兩位基因編輯領域的知名科學家轉向遞送系統(tǒng)研究的一個重要原因是，基因編輯藥物從體外的細胞治療往直接體內治療過渡的過程中，對遞送載體提出了更高的要求，遞送載體成了體內基因編輯藥物臨床應用的關鍵限速步驟。

張鋒在接受《自然》采訪時表達了相似的觀點。他認為，遞送系統(tǒng)的限制是基因編輯的主要瓶頸之一，大多數(shù)臨床試驗只能編輯肝臟、眼睛或血細胞的基因組，因為這些實驗使用目前的遞送方法完成?！拔覀儧]有看到大腦或腎臟疾病得到解決，是因為沒有良好的遞送系統(tǒng)?！?/p>