突破血脑屏障,阻止认知衰退!《科学》子刊:全新技术破解递送难题,有望治疗多种疾病

学术   2024-09-01 08:03   上海  
▎药明康德内容团队编辑  

治疗性蛋白质的递送有望治疗多种疾病。目前已有多种蛋白质疗法应用于临床,但它们多数局限于单克隆抗体、肽类激素和细胞因子,往往通过与细胞质膜上的受体结合来发挥作用,其递送有效性与安全性也存在不足。

同时,更多疾病是由细胞内特定蛋白的缺乏或功能障碍引起的,这些疾病的治疗需要实现治疗性蛋白质的细胞内递送,但这一点目前仍然面临着重重障碍。

Dong-Gyu Jo是成均馆大学药学院教授,他向我们介绍了当前蛋白质递送面临的3项重要挑战:“首先是免疫系统对注射蛋白质的反应,这可能导致免疫原性效应,不仅降低治疗效果,还会产生副作用;另一个重要挑战是确保有效递送跨越生物屏障,尤其是在治疗阿尔茨海默病等神经退行性疾病时,需要跨越血脑屏障;此外,治疗性蛋白质的生物利用度通常较低,在到达目标位置之前容易被迅速降解或清除,从而限制了治疗效果。”

为了解决上述挑战,设计出更高效、靶向性更强、更加可控的蛋白质递送机制,Dong-Gyu Jo教授带领团队尝试从外泌体(exosome)中寻找全新的递送方案。在一项发表于近期《科学-转化医学》(Science Translational Medicine)的研究中,研究团队开发出了基于外泌体的细胞内治疗性蛋白递送技术MAPLEX,并在小鼠实验中证实了其有效递送,并治疗阿尔茨海默病的能力。


外泌体是由细胞自然分泌的纳米尺寸囊泡。“外泌体具有天然穿过生物屏障(包括血脑屏障)的能力,并且与脂质纳米颗粒等合成载体相比,触发免疫反应的可能性较低。” Dong-Gyu Jo表示,这些优势让外泌体有潜力成为治疗性生物分子的纳米载体。

不过,目前使用外泌体的蛋白质递送系统也存在待解决的悖论:要将蛋白质装载到外泌体中,需要让货物蛋白与外泌体标记蛋白相融合;但另一方面,抵达目标位置后,货物蛋白需要与外泌体标记蛋白分离,才能进入受体细胞、正常发挥作用。因此,需要设计工具让货物蛋白和外泌体标记蛋白在装载时结合,但在递送过程中切割。

为了精确控制两者结合的时间与空间,确保货物蛋白在进入靶细胞时能从外泌体膜中释放,研究团队创新性设计了一套光裂解系统。

具体来说,作者将光裂解蛋白mMaple3融合在货物蛋白和外泌体标记蛋白CD9之间,从而实现第一个目标:将货物蛋白装载到外泌体中。这时的货物蛋白-mMaple3-CD9虽然是结合状态,但其中的纽带mMaple3却是一枚“定时炸弹”。作为光裂解蛋白,顾名思义,mMaple3可以被特定波长的光裂解。

于是,在提纯融合蛋白后,研究团队在给药前通过450纳米的光诱导mMaple3裂解,这时货物蛋白也自然与CD9分离,从外泌体膜释放,实现了货物蛋白的细胞内递送!

▲MAPLEX系统设计示意图(图片来源:参考资料[1])

Dong-Gyu Jo教授表示,这套系统确保了在细胞环境中正确激活和定位,提高了蛋白质递送的安全性和有效性。研究团队将该系统命名为“mMaple3介导的蛋白质装载到外泌体和从外泌体释放”,简称MAPLEX。

随后,研究团队对MAPLEX的实际应用潜力进行了初步检验。前面说到,由于需要穿过血脑屏障,治疗阿尔茨海默病的细胞内蛋白质药物递送尤为困难。我们知道,β-淀粉样蛋白是阿尔茨海默病的致病蛋白之一,而Β位淀粉样蛋白前体蛋白切割酶1(BACE1)是β-淀粉样蛋白生成途径的限速步骤,因此减少BACE1蛋白将有助于改善认知功能。

因此在这项实验中,研究团队使用MAPLEX,装载的货物蛋白是dCas9蛋白复合物与DNA甲基转移酶3A催化结构域(D3A)的融合蛋白,其中dCas9还结合了靶向Bace1基因的单向导RNA。由此,完整的货物蛋白称为sgBace1-dCas9-D3A。

▲MAPLEX系统能够对阿尔茨海默病小鼠模型进行体内的基因重组(上)与表观遗传(下)编辑(图片来源:参考资料[1])

利用这套系统,研究团队通过鼻腔分别给两种阿尔茨海默病小鼠模型给药。通过基因重组与表观遗传编辑,MAPLEX分别降低了两种小鼠大脑中的Bace1表达和β-淀粉样蛋白水平,成功实现了对脑细胞的蛋白质递送,改善了小鼠的认知和记忆能力。

对于MAPLEX系统的未来前景,Dong-Gyu Jo教授表示,除了在神经退行性疾病中的已有发现,研究团队正在探索其在罕见遗传性疾病领域的应用前景:“对于这类疾病,精确的基因调控至关重要。而MAPLEX可以向受罕见遗传病影响的细胞递送基因编辑工具,从而提供潜在的靶向治愈手段。” 

Dong-Gyu Jo教授继续介绍道:“未来我们还将进一步完善该系统,并将其应用扩展到包括癌症、自身免疫性疾病在内的一系列治疗领域。我们还在寻求合作,以加速MAPLEX进入临床试验,希望它能成为治疗多种疾病的多功能平台。”

参考资料:
[1] Jihoon Han et al. Engineered exosomes with a photoinducible protein delivery system enable CRISPR-Cas–based epigenome editing in Alzheimer’s disease. Science Translational Medicine (2024). DOI: 10.1126/scitranslmed.adi4830

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