作者:曹年润 来源:澎湃新闻 发布时间:2023/4/3 13:43:49
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张锋团队新设计细菌“注射器”,剑指基因治疗递送难题

 

当地时间3月29日,美国麻省理工学院—哈佛大学博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)张锋团队在《自然》(Nature)杂志在线发表了题为《通过细菌收缩注射系统进行可编程蛋白质输送》(Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system)的论文,他们通过AlphaFold辅助蛋白质设计开发了一种新的蛋白质递送系统——改造、利用独特的细菌“注射器”将蛋白质注射到人类细胞中。

以色列耶路撒冷希伯来大学(the Hebrew University of Jerusalem)的计算微生物学家阿萨夫·莱维(Asaf Levy)在接受《自然》采访时表示,“这可能会对医学产生变革性的影响,它可以设计有效载荷和特异性,这是非常酷的。”

上海科技大学生命科学与技术学院王皞鹏教授向澎湃科技表示,这项研究为蛋白质精准递送技术的设计和开发提供了新方向,为将来在基因治疗、癌症治疗、生物防治、核酸递送等领域的应用奠定了技术基础。但相关应用还需要进一步的研究和开发。

“张锋团队新开发的PVC递送系统是团队针对目前基因蛋白药物递送难题的一次出色探索,他们巧妙地把细菌注射系统和基因编辑器递送相结合,开创了一个新的非病毒递送方向。”华东师范大学生命科学学院研究员吴宇轩告诉澎湃科技,“这一系统在细胞靶向特异性方面展现出的出色效果令人振奋,但其递送效率仍有一定的提升空间,体内递送的长期安全性也需要更多更具说服力的研究数据支撑。而针对递送效率、特异性、安全性等的充分研究是临床应用前不可或缺的。”

精准、灵活的细菌“注射器”

内共生细菌是一类特殊的细菌,可以寄生在宿主细胞内部,它已经进化出复杂的递送系统,使其能够分泌调节宿主细胞的生物因子。细胞外收缩注射系统(eCIS)就是一个例子,它是一种类似注射器的大分子复合物,可以通过在细胞膜表面诱导出一个刺突蛋白,从而将携带的蛋白质有效载荷注入到真核细胞中。

2022年4月29日,中国医学科学院病原生物学研究所微生物学家江峰团队在《科学》(Science)杂志发表论文称,他们可以在生物发光细菌Photorhabdus asymbiotica中操纵这种类似注射器的系统,将他们从哺乳动物、植物和真菌中选择的蛋白质加载到注射器中。张锋团队在论文中提到,类似的发现提高了eCIS用于治疗性蛋白质递送的可能性,然而,这些递送系统是否能在人类细胞中起作用,以及这些系统用来识别目标细胞的机制尚不清楚。

张锋团队选择了来自Photorhabdus asymbiotica的eCIS——PVC(Photorhabdus virulence cassette ),他们发现,PVC有效载荷蛋白的N端高度无序区域是其“包装结构域”,只要将其与想要递送的蛋白融合,就能将其加载到PVC复合体中。随后,他们利用预测蛋白质结构的人工智能程序AlphaFold设计了修改尾部纤维蛋白(PVC13)的方法,使其能够精准地靶向人类细胞表面表达的不同蛋白。

通过对eCIS的进一步改造,张锋团队可以使用这一系统递送不同类型的蛋白载荷,他们已经在体外实验中成功递送了CRISPR基因编辑系统中的Cas9蛋白以及另一类用于基因编辑的锌指蛋白。在小鼠的体内实验中,这种经过改造的递送系统也可以将蛋白递送到小鼠大脑的神经元中。

这一PVC递送系统将有哪些应用潜力?王皞鹏介绍,它可以应用于基因治疗、癌症治疗、生物防治和核酸递送四个方面。“虽然作者没有在文中成功实现核酸的递送,但是目前有研究利用病毒肽构建病毒样颗粒实现核酸的递送将病毒肽与DNA结合,然后将病毒肽包裹在PVC内,可能也可以利用PVC系统实现核酸递送。”

具有高度靶标特异性,但效率有待提升

吴宇轩的研究方向之一是通过CRISPR基因编辑治疗以地中海贫血为主的血液疾病。在美国哈佛大学从事博士后研究期间,他完成了基于CRISPR且不依赖于病毒递送的血红蛋白基因治疗方法的临床前研究。回国后,他领导完成了全球首个体外CRISPR基因编辑治疗β-地中海贫血的成功案例。

吴宇轩表示,张锋团队研发的PVC递送系统表现出高度的靶标特异性,能有效地将载荷递送到拥有特定表面受体的细胞中。尤其是在人和小鼠细胞的靶向特异性测试中,展现了接近100%的靶向特异性。另一方面,该系统的靶向特异性可以通过对尾部纤维蛋白的合理改造来实现,这表明PVC展现出的高特异性是便于改造和拓展的,这给利用该系统进行细胞或组织特异性的体内蛋白靶向递送提供了广阔的想象空间。

另一个优点是,该递送系统具有良好的安全性基础。“作者发现,PVC处理不会产生任何显著的免疫细胞激活、炎性细胞因子的产生、体重减轻或细胞毒性,表明PVC处理在该实验时间过程中没有免疫原性或毒性。同时,颅内注射后,PVC在大脑中只是短暂存在,不会持续很长时间。” 吴宇轩解释,“当然,长期的安全性仍然需要更多谨慎细致的研究才能确定,尤其是系统性给药的免疫原性如何尚不明了。”

王皞鹏也向澎湃科技表示,在将这一系统应用于人类治疗之前,需要解决的最主要问题之一是确保递送系统在人体内的安全性和有效性。首先需要进行更多体内试验,以了解其生物相容性和药物代谢动力学,以及在不同的生物体内的生物分布和递送效果。其次,需要进一步开发和优化PVC系统的设计,以提高其蛋白递送效率和靶向准确性。

如果要实现在临床上的广泛应用,还应设计合理的生产工艺和流程以实现大规模生产PVC递送系统,并确保其质量和纯度。“因为PVC递送系统源于发光杆菌的毒力基因簇,在人体内应用时具备免疫原性,可能会被人体免疫系统识别为外来抗原引发免疫应答,从而降低PVC递送系统的效率。”王皞鹏说。

吴宇轩指出,这一递送系统的递送效率仍有待提升。“该研究中展示的基于PVC的递送系统进行体外细胞系基因编辑的效率仅有12%左右,距离各种疾病使用基因编辑进行治疗的效率阈值仍有差距。”

另一方面,如果要将该递送技术应用于体内,考虑到递送损耗以及体内细胞所处环境的复杂性,该递送系统所产生的编辑效率可能会进一步下降。“与目前常用的AAV载体相比,基于PVC的递送系统颗粒大小(约116nm)相较于前者(约25nm)较大,和纳米脂质体颗粒(LNP,约60-200nm)大概相当。过大的包装体积,可能给体内实质组织中的深层细胞的高效率递送造成一定的困难。并且,基于本项和前人关于PVC系统的研究,我们推测,该系统的包装递送效率可能也会受到载荷蛋白大小的影响,这可能是该递送系统针对体外细胞的编辑效率过低的一个可能的原因。”吴宇轩解释,“现有的高效基因编辑工具相较于目前常用的递送工具的有效容量来说普遍偏大,这对包括新开发的PVC系统等胞外压缩注射系统仍然是一个暂未克服的挑战。”

基因编辑知名科学家为何转向递送系统研究?

张锋是基因编辑领域先驱科学家。2013年1月,张锋团队首次将CRISPR基因编辑技术应用于哺乳动物和人类细胞。2013年年底,张锋及其他四位基因编辑先驱科学家合伙创立了基因编辑公司Editas Medicine,创始团队包括2020年因开发基因编辑技术而获得诺贝尔化学奖的詹妮弗杜德纳(Jennifer Doudna),以及碱基编辑先驱刘如谦(David Liu)。

2023年2月,张锋联合创建的新锐基因编辑公司Aera Therapeutics完成了近2亿美元融资,将进一步优化根据其实验室研究开发的蛋白纳米颗粒(PNP)递送平台技术。刘如谦的研究团队也正在开发基于病毒样颗粒(virus-like particles, VLP)的递送工具。此外,还有多家新锐公司专注于开发创新载体。

吴宇轩也注意到了张锋和刘如谦的动向。他认为,两位基因编辑领域的知名科学家转向递送系统研究的一个重要原因是,基因编辑药物从体外的细胞治疗往直接体内治疗过渡的过程中,对递送载体提出了更高的要求,递送载体成了体内基因编辑药物临床应用的关键限速步骤。

据王皞鹏介绍,目前针对递送载体的研究主要集中于蛋白质递送系统和核酸递送系统。在蛋白质递送系统方面,越来越多的研究聚焦于蛋白质递送载体的优化和改造,也有研究探索新型蛋白质递送系统。在核酸递送系统方面,主要的方法又分为病毒载体和非病毒载体两种。

吴宇轩解释,相对成熟的病毒递送系统,例如AAV,由于其在体内极长的表达时间,如若用于基因编辑器的递送,有很大的安全隐患;而以LNP为主的非病毒递送系统在mRNA递送方面已经展现出了巨大的潜力,在肌肉注射(如mRNA疫苗)和肝脏递送(如递送基因编辑器mRNA的体内基因编辑药物)等方面展示出了很好的成药性以及出色的临床结果,但是开发精准肝脏外靶向的非病毒递送载体,治疗例如神经系统疾病的新一代mRNA或者基因编辑药物,仍然缺乏接近临床转化的重大突破。

张锋在接受《自然》采访时表达了相似的观点。他认为,递送系统的限制是基因编辑的主要瓶颈之一,大多数临床试验只能编辑肝脏、眼睛或血细胞的基因组,因为这些实验使用目前的递送方法完成。“我们没有看到大脑或肾脏疾病得到解决,是因为没有良好的递送系统。”

参考资料:

1.https://www.nature.com/articles/d41586-023-00922-4#ref-CR1

2.https://www.nature.com/articles/s41586-023-05870-7

3.https://mp.weixin.qq.com/s/VbH8_Dz_ajZUkdn_8qOvfw

 
 
 
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