原創 藥明康德 藥明康德 2023-03-30 05:56 發表於上海
今日，基因編輯領域先驅張鋒教授團隊在頂尖學術期刊《自然》上發表最新研究，帶來了一種全新的蛋白遞送系統，它具有將任何蛋白精準遞送到任何指定人類細胞的潛力，有望解決基因療法、癌症藥物遞送等多重挑戰。而這項突破性技術的靈感來自於大自然中看起來不起眼的細菌。
目前，基因療法的遞送通常使用兩大類方式：脂質納米顆粒（LNP）或病毒載體。這兩種方式都具有各自的局限性，比如LNP通常聚集在肝臟中，常用的腺相關病毒載體載荷大小有限。這些局限性是限制基因療法廣泛用於治療肝外疾病的原因之一。
這項突破性遞送技術的靈感來源於大自然中的細菌。在自然界，噬菌體是一種專門在細菌中繁殖的病毒，它能夠識別特定種類的細菌，然後通過與細菌表面的受體相結合，將自身的基因組像打針一樣注射到細菌體內。而有些細菌在被噬菌體感染了之後，學會了利用這套元件，用於將自身生產的毒素注射到其它動物的細胞中。比如昆蟲致病菌發光桿菌（Photorhabdus），就會利用這套注射系統，將毒素注入昆蟲細胞並將細胞殺死。
借鑑大自然的靈感歷史上已經催生了多種突破性生物技術，比如我們熟知的CRISPR-Cas9基因編輯系統，就是來源於對細菌對抗病毒的「免疫系統」的改造。張鋒教授團隊此前也借鑑人體細胞中天然存在的逆轉錄元件，開發出全新的mRNA遞送技術。
▲張鋒教授領導了這項最新研究（圖片來源：張鋒教授實驗室主頁）
這一次，研究人員的目標是將細菌中存在的注射系統改造成精準遞送工具，識別不同種類的人類細胞，並且將治療蛋白注射到細胞內。
利用人工智慧平台AlphaFold，研究人員解析了細菌中稱為細胞外可收縮注射系統（eCIS）的蛋白複合體的結構。這個複合體與我們常用的注射器有些相似，像針筒一樣的柱狀結構攜帶著需要注射到細胞內的蛋白質「貨物」，一端的尾部纖維能識別細胞表面的特定受體並錨定在細胞表面，然後收縮系統將「針頭」刺入細胞內，遞送蛋白載荷。研究人員通過對尾部纖維的修改，可以讓它們精準地靶向人類細胞表面表達的不同蛋白。
▲重新設計細菌的胞外可收縮注射系統，將其改造為專門靶向特定人類細胞遞送所需蛋白質的裝置（圖片來源：參考資料[4]）
在體外細胞培養實驗中，研究人員設計的一種eCIS可以將殺死細胞的毒素精準遞送到高度表達EGFR受體的細胞中，殺死了幾乎100%的EGFR陽性細胞，卻沒有影響到不表達EGFR的細胞，體現了這一系統的強大特異性。
而且，通過對eCIS的進一步改造，研究人員可以使用這一系統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基因編輯系統中的Cas9蛋白以及另一類用於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也可以將蛋白遞送到小鼠大腦的神經元中。喬治亞理工學院專注於開發LNP遞送系統的James Dahlman教授在接受行業媒體STAT採訪時表示，未來它可以開發成為一套高度可編程的遞送系統，將不同的載荷精準遞送到指定的人類細胞中。
▲改造的蛋白遞送系統在小鼠模型中完成靶向遞送（圖片來源：參考資料[3]）
近年來，解決基因療法的遞送挑戰是業界專注的開發重點之一。科學家的努力也帶來了多款創新遞送系統。比如，張鋒教授聯合創建的Aera Therapeutics公司今年完成近2億美元融資，將進一步優化根據其實驗室研究開發的蛋白納米顆粒（PNP）遞送平台技術。鹼基編輯先驅劉如謙博士的研究團隊正在開發基於病毒樣顆粒（virus-like particles, VLP）的遞送工具。在2022年細胞和基因療法領域中獲得融資的新銳公司中，多家公司專注於開發創新載體。
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「治療分子的遞送一直是醫藥領域的主要瓶頸，我們需要廣泛的遞送選擇來將有力的創新療法遞送到人體中合適的細胞里。」張鋒教授表示，「通過學習大自然中的轉運蛋白，我們能夠開發一種全新的技術平台來填補這一空白。」
參考資料：
[1] New research may give geneticists a long-sought tool: a targeted protein delivery device. Retrieved March 29, 2023, from https://www.statnews.com/2023/03/29/gene-editing-breakthrough-targeted-delivery-feng-zhang/
[2] Bacterial injection system delivers proteins in mice and human cells. Retrieved March 29, 2023, from https://www.broadinstitute.org/news/bacterial-injection-system-delivers-proteins-mice-and-human-cells
[3] Kreitz et al., (2023). Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-023-05870-7
[4] Ericson & Pilhofer (2023). Mix-and-match tools for protein injection into cells. Nature, https://doi.org/10.1038/d41586-023-00847-y