撰文丨王聪
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
血脑屏障（Blood-Brain Barrier，BBB），是指脑毛细血管壁与神经胶质细胞形成的血浆与脑细胞之间的屏障，和由脉络丛形成的血浆和脑脊液之间的屏障，仅允许特定类型的分子从血流进入大脑神经元和其他周围细胞。
血脑屏障的存在，对于阻止有害物质由血液进入大脑具有重要意义，但这也同时阻止了绝大部分小分子和大分子药物（例如多肽，蛋白质和核酸）的转移，严重限制了中枢神经系统疾病（例如神经退行性疾病、脑肿瘤，脑部感染和中风等）的治疗。
基因疗法有可能治疗一系列严重脑部疾病，但是，FDA批准的最常用的体内基因治疗递送载体——腺相关病毒（AAV），无法高效地高水平穿过血脑屏障并递送治疗药物。几十年来，这一挑战一直阻碍着针对脑部疾病的更安全、更有效的基因疗法的发展。
2024年5月16日，MIT/哈佛博德研究所Bejamine Deverman团队（黄琴、Ken Y. Chan为第一作者）在Science期刊发表了题为：An AAV capsid reprogrammed to bind human transferrin receptor mediates brain-wide gene delivery 的研究论文。
该研究开发了一种新型AAV基因治疗递送载体——BI-hTFR1，通过与人血脑屏障中高表达的人转铁蛋白受体（hTfR1）结合，能够有效穿越血脑屏障，将这种AAV注射到表达人转铁蛋白受体（TfR1）的人源化小鼠的血液中，其进入大脑的水平远高于FDA批准的用于中枢神经系统基因治疗的AAV9（高出40-50倍）。
由于该AAV载体是与与血脑屏障中已经过充分研究的TfR1蛋白结合发挥作用，因此，该载体很有可能对人类患者有效，这也为更有效的中枢神经系统疾病基因治疗奠定了基础。
论文通讯作者Bejamine Deverman教授表示，自从2018年在博德研究所建立实验室以来，我们一直专注于为中枢神经系统提供基因治疗的使命，如果这种新型AAV在人类中的作用像我们在小鼠研究中的那样，它将比现有的AAV载体有效得多。
多年来，全世界的研究人员为特定应用开发了大量AAV文库，并在动物中进行测试，以确定最佳候选AAV。但即使这种方法成功了，筛选到的候选AAV通常在其他物种中也不起作用，而且这种方法也不能提供关于AAV如何达到目标组织或细胞的信息，让基于这些AAV的基因疗法难以从动物转化到人类。
为了找到一种更有可能到达人类大脑的运载工具，研究团队转向了另一种方法，他们在体外试验中筛选AAV库中能与特定人类蛋白结合的AAV。然后，在细胞和小鼠中测试发现的最有希望的候选蛋白，这些细胞和小鼠已经被修饰以表达这种蛋白质。
在这项研究中，他们以人转铁蛋白受体（hTfR1）为目标，该蛋白在人血脑屏障中高表达，长期以来被作为旨在到达大脑的抗体疗法的目标。研究团队筛选并鉴定出一种名为BI-hTfR1的AAV衣壳，它与人转铁蛋白受体（hTfR1）结合，从而进入人类脑细胞，绕过了人类细胞模型的血脑屏障。
论文第一作者黄琴开发了该研究中的筛选方法，她表示，之前的体内筛选方法发挥了很多作用，但很难筛选到能够在不同物种中作用良好的AAV。而这项研究找到了一种与人类特定受体结合的AAV，是一大进步。
Bejamine Deverman教授（左），黄琴博士（右）
Bejamine Deverman教授是博德研究所载体工程团队负责人，该团队致力于开发用于研究中枢神经系统（CNS）的创新基因递送解决方案，利用蛋白质工程、高通量体内选择和筛选方法以及机器学习开发新型AAV载体。此前，Bejamine Deverman与合作者开发了可突破小鼠血脑屏障的AAV-PHP.B和AAV-PHP.eB，这些AAV载体在全世界各地的实验室得到了广泛使用。
黄琴博士是博德研究所载体工程团队的研究科学家（Research Scientist），黄琴本科毕业于武汉大学，博士毕业于中国科学院大学，并在爱荷华大学进行了博士后研究工作，于2018年加入博德研究所。
接下来，研究团队在动物体内测试了这种新型AAV的效果，他们构建了转铁蛋白受体被人转铁蛋白（hTfR1）替代的人源化小鼠模型，然后将这种新型AAV注射到成年人源化小鼠的血液中，结果显示，与不表达hTfR1的小鼠相比，表达hTfR1的人源化小鼠的大脑和脊髓中的AAV水平显著较高，表明hTfR1正在积极地运送AAV穿过血脑屏障。
这种新型AAV在人源化小鼠模型的大脑中的积累水平比AAV9高出40-50倍，AAV9是FDA批准的用于治疗婴儿脊髓性肌萎缩症（SMA）的基因疗法所使用的载体，但其在将基因递送到成人大脑的效率较低。
此外，该新型AAV载体还到达了一大部分重要类型的脑细胞，靶向了71%的神经元和92%的星形胶质细胞。
接下来，研究团队使用该新型AAV载体递送了人GBA1基因，该基因在几种神经系统疾病中会发生突变，与戈谢病、路易体痴呆和帕金森病有关。结果显示，该新型AAV递送的GBA1基因拷贝数是AAV9的30倍，并且递送到了整个大脑的大部分细胞。
研究团队补充道，这种新型AAV载体可能是治疗单基因突变引起的神经发育障碍（例如Rett综合征、SHANK3缺陷型自闭症）、GBA11缺陷等溶酶体贮积病，以及亨廷顿舞蹈症、朊病毒病、弗里德赖希共济失调、单基因型渐冻症和帕金森病等神经退行性疾病的更好的治疗选择。
这种新型AAV是基因治疗的理想选择，因为其以人类蛋白为靶点，并且使用可扩展的生产方法，具有与AAV9相似的产量和纯化产量。Bejamine Deverman联合创办的生物技术公司Apertura Gene Therapy已经在开发使用AAV靶向中枢神经系统的新疗法。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm8386