基因疗法新飞跃！Science最新研究：团队研发出高效脑部递送载体，精准穿透血脑屏障，为人类脑病治疗带来变革

在一项新的研究中，来自布罗德研究所的研究人员向更有效的脑疾病基因疗法迈出了重要的一步，他们设计出了一种基因递送载体：它利用一种特异性蛋白，能够穿越血脑屏障，将与疾病相关的基因精准送达携带该蛋白的小鼠大脑区域。研究者指出，由于该载体与血脑屏障中一种已广泛研究的蛋白结合紧密相连，其在人体内发挥效用的可能性极大。

相关研究结果于2024年5月16日在线发表在Science期刊上，论文标题为“An AAV capsid reprogrammed to bind human transferrin receptor mediates brain-wide gene delivery”。

基因疗法对于治疗一系列遗传性脑疾病，尤其是那些当前尚无治愈手段且治疗选择有限的疾病，展现出了希望。但是，美国食品药品管理局（FDA）批准的用于包装和向靶细胞递送这类基因疗法的最常用载体——腺相关病毒（AAV），并不能有效地高水平穿过血脑屏障并递送治疗性货物。

血脑屏障是一层具有高度选择性的膜，将血液与大脑隔开，要使治疗性货物通过血脑屏障是一个巨大的挑战，几十年来它一直阻碍着更安全、更有效的脑疾病基因疗法的开发。

在这项新的研究中，在布罗德研究所载体工程高级主任Ben Deverman的领导下，研究者们首次改良了一种AAV，使其能在人源化小鼠体内靶向人类蛋白，进而能穿透至大脑。该AAV能与人类血脑屏障中高表达的转铁蛋白受体结合。

研究团队观察到，当将该AAV注入携带人源化转铁蛋白受体的小鼠体内时，它在脑中的渗透程度远超出了在中枢神经系统基因疗法中FDA批准的AAV9。不仅限于此，它还能触及多数关键脑细胞类型，包含神经元和星形胶质细胞。

随后，研究者们进一步验证了他们的AAV能将GBA1基因广泛递送至大脑大多数细胞，而GBA1与戈谢尔奇病、路易体性痴呆和帕金森病相关。他们强调，新AAV可能为治疗如Rett综合征、SHANK3缺乏症等神经发育障碍，GBA1缺乏症等溶酶体储存疾病，以及亨廷顿舞蹈病、朊病毒病、弗里德希共济失调、肌萎缩侧索硬化症和帕金森病的单基因型提供更优选项。

Deverman说，“自从我们来到布罗德研究所，我们就一直专注于为中枢神经系统提供基因疗法。根据我们的小鼠研究，如果这种AAV在人类身上的效果与我们认为的一样，那么它将比目前的选择方案有效得多。”

论文共同第一作者、Deverman 团队负责人 Ken Chan 说，“这种 AAV 有可能改变很多患者的生活。”Chan近十年来一直致力于解决中枢神经系统基因递送的问题。

机制先行

多年来，科学家们通过制备大量的 AAV 文库并在动物身上进行测试，以确定最佳候选对象，从而开发出用于特定应用的 AAV。但即使这种方法取得了成功，候选的AAV在其他物种中也往往不起作用，而且这种方法无法提供有关 AAV 如何到达目标的信息。这就使得从动物试验转化为人类试验变得困难。

为了找到一种更有可能到达人脑的递送工具，Deverman团队选择了一种不同的方法。他们使用了去年发表的一种方法，即在试管中筛选AAV文库，寻找能与特定人类蛋白结合的AAV。然后，他们在细胞和小鼠中测试最有希望表达这种蛋白的候选AAV。

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adm8386

经过筛选，他们选择了人类转铁蛋白受体作为靶标，长期以来，这种受体一直是抗体疗法进入大脑的常见靶标。进一步，他们的筛选技术发现了一种名为 BI-hTFR1 的 AAV，它能与人类转铁蛋白受体结合，进入人类脑细胞，并绕过人类细胞模型的血脑屏障。

论文共同第一作者、Deverman 实验室高级研究员Qin Huang补充说，“我们从体内筛选中学到了很多东西，但要找到在不同物种中都能如此有效的 AAV还真不容易。而找到一种使用人类受体的AAV是向前迈出的一大步！”

超越培养皿

为了在动物体内测试他们改进的AAV，研究人员使用了小鼠，并且在小鼠中用人类相应基因替换了编码转铁蛋白受体的小鼠基因。他们将AAV注射到成年小鼠的血液中，发现与没有人类转铁蛋白受体基因的小鼠相比，AAV在大脑和脊髓中的含量大幅提高，这表明转铁蛋白受体正积极地让AAV穿过血脑屏障。

AAV9是FDA批准的治疗婴儿脊髓性肌肉萎缩症疗法的一部分，但它向成人大脑递送货物的效率相对较低。然而，本研究改进的新型AAV可到达大脑不同区域71%的神经元和92%的星形胶质细胞，而且它们在脑组织中的积累量也比AAV9高40～50倍。

Deverman团队还利用他们改进的AAV递送了人类 GBA1 基因的健康拷贝，该基因在几种神经系统疾病中发生了突变。他们改进的新型 AAV 在小鼠体内递送的 GBA1 基因拷贝比 AAV9 多 30 倍，而且递送到了整个大脑。

Deverman团队表示，他们改进的新型 AAV是基因疗法的理想选择，因为它靶向一种人类蛋白，而且当采用可扩展的生产方法时，其生产和纯化产量与 AAV9 相似。

研究团队认为，随着进一步的开发，他们有可能提高他们改进的AAV在中枢神经系统中的基因递送效率，减少AAV在肝脏中的积累。

布罗德研究所的Sonia Vallabh和Eric Minikel正在开发针对朊病毒病的治疗方法，他们对利用他们改进的AAV治疗人类脑部疾病的潜力感到兴奋。

Minikel说，“当我们考虑像朊病毒病这样的全脑疾病的基因疗法时，你需要真正的全身性给送和广泛的生物分布，这样才能取得成效。自然产生的 AAV 并不能帮你实现任何目标。这种改进的AAV衣壳为治疗这类疾病提供了可能性。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Qin Huang et al. An AAV capsid reprogrammed to bind human Transferrin Receptor mediates brain-wide gene delivery. Science, 2024, doi:10.1126/science.adm8386.

New gene delivery vehicle shows promise for human brain gene therapy
https://www.broadinstitute.org/news/new-gene-delivery-vehicle-shows-promise-human-brain-gene-therapy