科学家通过工程化的病毒衣壳来靶向作用多种类型脑细胞

2020年4月29日 讯 /生物谷BIOON/ --重组腺相关病毒（aAAVs，recombinant adeno-associated viruses）是一种通过静脉给药的高效基因运输载体，然而，天然血清型会表现出有限的趋向性集合，近日，一项刊登在国际杂志Nature Methods上题为“Multiplexed Cre-dependent selection yields systemic AAVs for targeting distinct brain cell types”的研究报告中，来自加州理工学院等机构的科学家们为了扩展aAAVs的应用，对AAV衣壳进行了改进使其能够有效地转换成年小鼠大脑中特殊的细胞类型，基于CREATE（Cre-recombination-based AAV targeted evolution，基于重组的AAV靶向进化）平台，研究人员开发出了一种多路复用的CREATE平台（M-CREATE），其能通过多种积极和消极的选择标准来识别给定选择场景中研究人员感兴趣的突变体。

图片来源：Sripriya Ravindra Kumar in the Gradinaru laboratory at

the California Institute of Technology

研究者表示，M-CREATE能够整合新一代的测序技术、合成文库生成及专用的分析通路技术，从而帮助研究人员识别出能广泛转化中枢神经系统的衣壳突变体，这就能够表现出对血管细胞和星形胶质细胞的偏爱，并以更高的特异性靶向作用神经元细胞或者跨越多种鼠类的血脑屏障，总而言之，M-CREATE方法能够加速研究人员寻找特殊衣壳来用作神经科学和基因疗法等应用。

研究人员开发出的这种新方法能够快速有效地识别专门的AAV突变体，从而运输或转化小鼠机体中特殊类型的细胞，并能帮助科学家们根据研究或临床需要来选择一种特殊病毒；天然的AAV是本文研究最有希望的出发点，尽管其能在人类群体中广泛流行，但其并没有已知的疾病关联，而且也并不会因素宿主出现强烈的免疫反应，也无法自行繁殖。

研究者Ravindra Kumar说道，如果你重新设计一种病毒来运输特殊的遗传信息，并将其翻译为一种能用于治疗特性的蛋白质，这样就能够从细胞源头来治疗疾病，尽管从细胞层面上理解疾病发病机制还需要科学家们进行大量研究，但好消息是，如今这些病毒已经被科学界用来研究细胞和疾病之间的关联性了。所有病毒都拥有相同的基本设计，即其是由RNA或DNA的等遗传组织组成的片段，同时由衣壳结构所保护，AAV衣壳表面的化学特性能够影响其粘附在细胞膜蛋白上的能力，从而就能促进其进入细胞；在自然界的病毒中，衣壳能够进化地吸附到多种不同组织或细胞群体表面上存在的蛋白上，然而，为了使其能够有效运输疗法，生物工程师们就需要研究设计能够进入特殊细胞类型的衣壳，如果设计出的衣壳能够吸附特定细胞类型上的膜蛋白，这一想法或许就有可能实现。

研究人员Gradinaru一直致力于通过利用定向进化的力量来调查单一宿主中数以百万计的AAV衣壳突变体，从而为不同的细胞类型和用途装配一个病毒载体目录，这项研究中，他们利用所开发的新型M-CREATE平台来快速筛选大量的AAV衣壳文库，每个衣壳都携带有一个特殊的表面装饰环，从而就能与不同的细胞蛋白相互作用，进而进入小鼠机体特殊的细胞类型中，Gradinaru说道，基于M-CREATE平台，我们就能单独通过衣壳来设计成为具有细胞类型特异性的AAVs，同时并不需要基因调节元件来实现其特异性，并能够在小型的AAV衣壳中为所需的遗传物质腾出关键空间。

2016年，研究人员确定了如何对AAV进行工程化修饰来使其能跨越血脑屏障，如今这种修饰后的病毒载体就能通过简单的静脉系统注射的方式来进入机体，这样就能够帮助研究人员避免对大脑进行侵袭性的注射，同时还能被广泛用作研究工具；然而，此前的筛选过程既费时又耗力，而且仅能识别少数几个衣壳，也无法跨越多个目标来进行筛选从而揭示多个组织的衣壳特异性以及这些组织中多样化的细胞类型。

图片来源：Ravindra Kumar, S., et al. Nat Methods (2020). doi：10.1038/s41592-020-0799-7

M-CREATE平台不仅能为转化细胞类型的竞争提供一个“胜利者”衣壳，而且还能提供一个最终的平台，并同时对数千种其它衣壳突变体的适合度进行排序；这一改进能帮助研究人员识别出新的衣壳，其就能够进入血液中，优先转导大脑中形成血脑屏障的神经元或血管细胞；专门靶向作用神经细胞或非神经大脑细胞的工程化基因运输工具（比如由血管系统和血脑屏障组成的大脑内皮细胞）或许能改变研究的模式；由于受损的血脑屏障会允许病理性因子进入大脑，从而启动或加速神经变性，而通过工程化的AAVs来功能性靶向作用血脑屏障的通透性就能影响机体到大脑的循环，这就能帮助研究人员修复疾病发生过程中功能被削弱的屏障，或者相反地，如果有必要的话，通过血流向大脑运输治疗性手段就能够暂时恢复健康血脑屏障的通透性。

此外，研究人员还是识别出了许多特殊的AAV衣壳，其能穿过血脑屏障，尽管在衣壳中设计了高度不同的序列，但其效率相似，这种新的衣壳不同于此前能展示不同菌株特异性的工程化AAVs，其在被测试的携带不同血脑屏障特性的小鼠中同样有效；这就表明，新型的工程化衣壳能通过与特殊的表面蛋白相互作用来跨越血脑屏障，因此，确定其进入相同组织的多种机制非常重要，其能将在小鼠机体中使用的工具转化为包括人类在内的其它研究模型。

最后研究者Gradinaru表示，新型平台M-CREATE的开发能够识别拥有特殊表面结构的多种衣壳，从而就能以不同的方式帮助解决相同的问题，比如跨越血脑屏障等，该平台潜在的应用很多，比如其能将治疗性基因运输到疾病动物模型中来研究细胞表面受体的差异，以及血脑屏障的组成。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

【1】Targeting multiple brain cell types through engineered viral capsids

【2】Ravindra Kumar, S., Miles, T.F., Chen, X. et al. Multiplexed Cre-dependent selection yields systemic AAVs for targeting distinct brain cell types. Nat Methods (2020). doi：10.1038/s41592-020-0799-7