科學家通過工程化的病毒衣殼來靶向作用多種類型腦細胞_風聞

重組腺相關病毒（aAAVs，recombinant adeno-associated viruses）是一種通過靜脈給藥的高效基因運輸載體，然而，天然血清型會表現出有限的趨向性集合，近日，一項刊登在國際雜誌Nature Methods上題為“Multiplexed Cre-dependent selection yields systemic AAVs for targeting distinct brain cell types”的研究報告中，來自加州理工學院等機構的科學家們為了擴展aAAVs的應用，對AAV衣殼進行了改進使其能夠有效地轉換成年小鼠大腦中特殊的細胞類型，基於CREATE（Cre-recombination-based AAV targeted evolution，基於重組的AAV靶向進化）平台，研究人員開發出了一種多路複用的CREATE平台（M-CREATE），其能通過多種積極和消極的選擇標準來識別給定選擇場景中研究人員感興趣的突變體。

圖片來源：Sripriya Ravindra Kumar in the Gradinaru laboratory at the California Institute of Technology研究者表示，M-CREATE能夠整合新一代的測序技術、合成文庫生成及專用的分析通路技術，從而幫助研究人員識別出能廣泛轉化中樞神經系統的衣殼突變體，這就能夠表現出對血管細胞和星形膠質細胞的偏愛，並以更高的特異性靶向作用神經元細胞或者跨越多種鼠類的血腦屏障，總而言之，M-CREATE方法能夠加速研究人員尋找特殊衣殼來用作神經科學和基因療法等應用。

研究人員開發出的這種新方法能夠快速有效地識別專門的AAV突變體，從而運輸或轉化小鼠機體中特殊類型的細胞，並能幫助科學家們根據研究或臨牀需要來選擇一種特殊病毒；天然的AAV是本文研究最有希望的出發點，儘管其能在人類羣體中廣泛流行，但其並沒有已知的疾病關聯，而且也並不會因素宿主出現強烈的免疫反應，也無法自行繁殖。

研究者Ravindra

Kumar説道，如果你重新設計一種病毒來運輸特殊的遺傳信息，並將其翻譯為一種能用於治療特性的蛋白質，這樣就能夠從細胞源頭來治療疾病，儘管從細胞層面上理解疾病發病機制還需要科學家們進行大量研究，但好消息是，如今這些病毒已經被科學界用來研究細胞和疾病之間的關聯性了。所有病毒都擁有相同的基本設計，即其是由RNA或DNA的等遺傳組織組成的片段，同時由衣殼結構所保護，AAV衣殼表面的化學特性能夠影響其粘附在細胞膜蛋白上的能力，從而就能促進其進入細胞；在自然界的病毒中，衣殼能夠進化地吸附到多種不同組織或細胞羣體表面上存在的蛋白上，然而，為了使其能夠有效運輸療法，生物工程師們就需要研究設計能夠進入特殊細胞類型的衣殼，如果設計出的衣殼能夠吸附特定細胞類型上的膜蛋白，這一想法或許就有可能實現。

研究人員Gradinaru一直致力於通過利用定向進化的力量來調查單一宿主中數以百萬計的AAV衣殼突變體，從而為不同的細胞類型和用途裝配一個病毒載體目錄，這項研究中，他們利用所開發的新型M-CREATE平台來快速篩選大量的AAV衣殼文庫，每個衣殼都攜帶有一個特殊的表面裝飾環，從而就能與不同的細胞蛋白相互作用，進而進入小鼠機體特殊的細胞類型中，Gradinaru説道，基於M-CREATE平台，我們就能單獨通過衣殼來設計成為具有細胞類型特異性的AAVs，同時並不需要基因調節元件來實現其特異性，並能夠在小型的AAV衣殼中為所需的遺傳物質騰出關鍵空間。

2016年，研究人員確定瞭如何對AAV進行工程化修飾來使其能跨越血腦屏障，如今這種修飾後的病毒載體就能通過簡單的靜脈系統注射的方式來進入機體，這樣就能夠幫助研究人員避免對大腦進行侵襲性的注射，同時還能被廣泛用作研究工具；然而，此前的篩選過程既費時又耗力，而且僅能識別少數幾個衣殼，也無法跨越多個目標來進行篩選從而揭示多個組織的衣殼特異性以及這些組織中多樣化的細胞類型。

圖片來源：Ravindra Kumar, S., et al. Nat Methods (2020). doi：10.1038/s41592-020-0799-7M-CREATE平台不僅能為轉化細胞類型的競爭提供一個“勝利者”衣殼，而且還能提供一個最終的平台，並同時對數千種其它衣殼突變體的適合度進行排序；這一改進能幫助研究人員識別出新的衣殼，其就能夠進入血液中，優先轉導大腦中形成血腦屏障的神經元或血管細胞；專門靶向作用神經細胞或非神經大腦細胞的工程化基因運輸工具（比如由血管系統和血腦屏障組成的大腦內皮細胞）或許能改變研究的模式；由於受損的血腦屏障會允許病理性因子進入大腦，從而啓動或加速神經變性，而通過工程化的AAVs來功能性靶向作用血腦屏障的通透性就能影響機體到大腦的循環，這就能幫助研究人員修復疾病發生過程中功能被削弱的屏障，或者相反地，如果有必要的話，通過血流向大腦運輸治療性手段就能夠暫時恢復健康血腦屏障的通透性。

此外，研究人員還是識別出了許多特殊的AAV衣殼，其能穿過血腦屏障，儘管在衣殼中設計了高度不同的序列，但其效率相似，這種新的衣殼不同於此前能展示不同菌株特異性的工程化AAVs，其在被測試的攜帶不同血腦屏障特性的小鼠中同樣有效；這就表明，新型的工程化衣殼能通過與特殊的表面蛋白相互作用來跨越血腦屏障，因此，確定其進入相同組織的多種機制非常重要，其能將在小鼠機體中使用的工具轉化為包括人類在內的其它研究模型。

最後研究者Gradinaru表示，新型平台M-CREATE的開發能夠識別擁有特殊表面結構的多種衣殼，從而就能以不同的方式幫助解決相同的問題，比如跨越血腦屏障等，該平台潛在的應用很多，比如其能將治療性基因運輸到疾病動物模型中來研究細胞表面受體的差異，以及血腦屏障的組成。

參考資料：

【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