这也行？改造弓形虫，突破血脑屏障，向大脑递送治疗型蛋白质

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

蛋白质递送需要应对诸多艰巨挑战，例如绕过给药部位与靶细胞之间的不同生物屏障、特定组织靶向以及在到达目标位置之前保持蛋白质的完整性。而蛋白质在生理细胞内环境之外通常不稳定，这在通过口服和静脉途径生产和递送重组蛋白质方面都构成了挑战（因为这要求蛋白质在消化系统和循环系统中存活下来）。

游离蛋白质通常具有免疫原性，这既限制了它们的生物利用水平，又可能引发病理性免疫反应。此外，它们的大分子尺寸以及通常亲水性和带电的性质使它们无法被动地穿过生物屏障。许多蛋白质需要受控靶向特定的靶组织、细胞类型或细胞内区室才能发挥其活性，如果被递送到其他地方则无效甚至有害。特别具有挑战性的是向中枢神经系统（CNS）的递送，这需要穿越血脑屏障（BBB）。而血脑屏障会屏蔽几乎所有的蛋白质。

刚地弓形虫（Toxoplasma gondii）是猫科动物的肠道球虫，刚地弓形虫在全世界广泛分布，人和许多动物都能感染，随着养猫人群的增加，全世界有近三分之一的人群被感染。弓形虫能够感染人类后，能够从肠道自然进入中枢神经系统（CNS），之前有研究表明，它能够递送蛋白质质到宿主细胞，但还不清楚这种寄生虫能否经过改造来递送大型治疗性蛋白质。

2024年7月29日，特拉维夫大学、麻省理工学院、亚利桑那大学、格拉斯哥大学、苏黎世大学、哈佛大学、米兰大学、爱丁堡大学的研究人员合作，在 Nature 子刊Nature Microbiology 上发表了题为：Engineering Toxoplasma gondii secretion systems for intracellular delivery of multiple large therapeutic proteins to neurons 的研究论文。

该研究报告了一个在小鼠模型中改造寄生虫刚地弓形虫（Toxoplasma gondii ）的方法，能够穿越血脑屏障，向大脑神经元递送治疗性蛋白质。这项研究有助于开发向中枢神经系统递送治疗性蛋白质递送的替代方法。

科学家们开发了各种纳米材料和蛋白质工程方法试图应对向中枢神经系统（CNS）递送蛋白质的挑战。例如对目的蛋白质进行化学修饰或分子融合，以及利用纳米颗粒、脂质体、外泌体等载体系统。然而，这些方法在体内往往效率有限，通常需要针对每种目的蛋白进行特别定制，并且大多应用于肽、细胞外蛋白或结合剂，而非全长的细胞内蛋白质。

对于研究来说，高效递送蛋白质工具（例如抗体、结合剂、报告分子、基因组编辑蛋白）可以促进它们在自然体内环境中干扰生物过程的应用，递送天然内源性或异源蛋白质可以直接研究它们的活性、调节和相互作用。

对于医学而言，高效、安全递送蛋白质可以开启广泛的蛋白质疗法，包括单基因疾病的内源性蛋白替代疗法以及异源和工程化蛋白质（抗体免疫疗法、工程酶、转录调节剂、可编程基因编辑器和细胞内信号肽）。

刚地弓形虫（Toxoplasma gondii）是一种普遍存在的寄生虫，通常通过摄入感染，能够主动迁移至中枢神经系统（CNS），通过与其宿主共进化而精细调整的复杂机制穿越血脑屏障（BBB）。在中枢神经系统中，刚地弓形虫主要与神经元相互作用并持续存在。

刚地弓形虫具有三个用于蛋白质分泌的细胞器：微线体（microneme）、棒状体（rhoptry）和致密颗粒（dense granule），其中棒状体和致密颗粒能够将效应蛋白直接递送至宿主细胞，因此，研究团队尝试利用这两种细胞器来向寄主细胞递送蛋白质。研究团队选择了位于弓形虫细胞器内的蛋白质（toxofilin蛋白或GRA16蛋白），将之与已知可治疗人类神经疾病的不同蛋白质融合，结果显示，这些治疗性蛋白质能同时从这两种细胞器递送到神经元中。

研究团队还使用包括神经元和大脑类器官在内的各种体外模型，表征了影响递送的因素以及递送的蛋白质的活性。作为概念验证，研究团队展示了治疗性蛋白质MeCP2（用于治疗Rett综合征，这是一种影响大脑发育的罕见神经障碍）能被递送到神经元，并结合目标DNA，改变细胞、神经元和大脑类器官内的宿主基因表达。

工程化改造后的刚地弓形虫能通过腹腔向大脑神经元中递送MeCP2蛋白，而且在目标递送位置外检测到的弓形虫很少，递送后也没有发生明显炎症。

弓形虫腹腔注射后可将MeCP2蛋白递送到小鼠中枢神经系统（CNS）

最后，研究团队使用报告小鼠系统表征了分泌的棒状体和致密颗粒蛋白在大脑中的三维（3D）分布。

在报告小鼠中进行腹腔注射后，弓形虫通过棒状体和致密颗粒介导的蛋白质传递在大脑中的3D分布

总的来说，这项研究为工程化刚地弓形虫作为体外和体内细胞内蛋白质递送载体的应用提供了概念验证，该递送系统的潜力和安全性值得进一步研究。

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