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通过工程病毒衣壳靶向多种脑细胞类型

通过工程病毒衣壳靶向多种脑细胞类型

病毒是自然界的特洛伊木马:它们进入细胞,走私它们的遗传物质,并利用细胞自身的机制进行复制。几十年来,科学家们一直在研究如何将这些病毒的有害影响降到最低,甚至将这些入侵者重新定位,让它们不再传递自己的病毒基因组,而是传递治疗疾病的疗法和研究细胞的工具。然而,要在这些新的作用中发挥效力,每一种病毒必须安全地、有效地、有选择地作用于那些需要其遗传物质的细胞。对于这一任务,病毒的自然配置是不完善的。

加州理工学院的研究人员现在已经开发出一种方法,可以快速有效地识别设计腺相关病毒(AAV)变异,这种变异可以传递或“转移”小鼠体内特定类型的细胞,使科学家能够根据研究或临床需要选择一种病毒。天然的AAVs是这项研究特别有希望的起点,因为尽管该病毒在人群中广泛流行,但它没有已知的疾病关联,不会引起强烈的免疫反应,而且不能自行繁殖。加州理工学院的研究生Sripriya Ravindra Kumar是一篇关于这项研究的论文的第一作者,该论文发表在5月份的《自然方法》杂志上。

这项工作是在Viviana Gradinaru (BS '05)的实验室里进行的,她是神经科学和生物工程的教授,传统医学研究所的研究员,同时也是加州理工学院天桥和Chrissy Chen神经科学研究所分子和细胞神经科学中心的主任。

Ravindra Kumar说:“如果你能重新设计一种病毒来传递基因信息,并将其转化成一种有治疗价值的蛋白质,那么你就能从细胞源头治疗疾病。”“尽管在细胞水平上了解疾病还有很多工作要做。好消息是,这些病毒可以被更大的科学界用来研究细胞和疾病关联。”

所有的病毒都有相同的基本设计:它们是由称为衣壳的外壳保护的遗传物质,无论是RNA还是DNA。AAV衣壳的表面化学物质可以影响其吸附细胞膜蛋白的能力,从而使其能够进入细胞。在自然病毒中,衣壳已经进化到可以附着在许多不同组织或细胞群表面的蛋白质上。然而,为了使它们能有效地将疗法传递给需要它们的细胞,生物工程师致力于设计能够进入特定细胞类型的衣壳。如果设计衣壳能够附着在膜蛋白上,这是有可能的。膜蛋白只存在于一种细胞类型中,而不存在于其他细胞类型中。

为此,Gradinaru实验室一直致力于为不同的细胞类型和用途装配一个病毒载体目录,方法是利用定向进化的力量来调查单个宿主中数以百万计的AAV衣壳变体。在这项新工作中,Ravindra Kumar和她的合作者开发了一种称为M-CREATE(基于AAV的多路复用Cre重组定向进化)的方法。这种方法可以快速筛选大量的AAV衣壳,每个衣壳都有一个独特的表面环修饰,从而获得与不同细胞蛋白的相互作用,从而在小鼠中输入特定的细胞类型。

通过工程病毒衣壳靶向多种脑细胞类型

Gradinaru说:“我们现在通过M-CREATE表明,AAV可以单独通过衣壳设计成细胞类型特异性,从而不需要基因调控元件来实现特异性,从而在小的AAV衣壳内为所需的遗传物质腾出关键空间。”

这项工作建立在Gradinaru实验室开发的早期方法的基础上。2016年,该小组确定了如何设计AAV通过血脑屏障(BBB),这是一个紧密包裹的细胞层,通常阻止循环病毒和其他病原体进入大脑和脊髓。改良后的病毒载体现在可以通过简单的静脉系统注射进行管理,这使得研究人员可以避免侵入性的注射进入大脑,并已被广泛用作研究工具。然而,以前的筛选过程是耗时和劳力密集的,只能识别少量衣壳,而且不能跨多个目标进行筛选,从而发现衣壳对多个组织的特异性,以及这些组织中不同的细胞类型。

至关重要的是,M-CREATE不仅为转化细胞类型的竞争提供了一个“赢家”衣壳,而且还提供了一种最终的平台,同时对数千种其他衣壳变体的适合度进行排序。这一改进使研究小组能够识别出新的衣壳,这些衣壳在进入血液后,优先传递大脑中的神经元或形成血脑屏障的血管细胞。“专门针对与疾病相关的神经细胞和非神经细胞的基因传递工具,例如由血管系统和血脑屏障组成的大脑内皮细胞,可以使研究范式转变,例如神经变性或中风,”Gradinaru说。“由于受损的血脑屏障会使病理因素进入大脑,从而引发和/或加速神经退行性变,因此,通过设计的AAVs以血脑屏障通透性为功能靶点,可以通过循环影响身体到大脑的通路。”这将使我们能够修复疾病中被削弱的屏障,或者,相反地,如果有必要的话,通过血流向大脑提供治疗,使健康的血脑屏障暂时通透。”

Ravindra Kumar和他的合作者也发现了许多AAV衣壳,尽管衣壳中有高度不同的序列,但它们都能以相似的效率穿过血脑屏障。不同于先前设计的AAVs显示出一些菌株特异性,新的衣壳在被测试的具有不同BBB基因的小鼠中同样有效。“这表明,新的工程衣壳可以通过与独特的表面蛋白的相互作用,跨越血脑屏障。”贝克曼研究所三叶草中心的科学主任、该研究的第二作者Timothy F. Miles说:“确定不同的作用机制来获取相同的组织,可能会被证明是将这些工具从小鼠转化为包括人类在内的其他生物模型的关键。”

“M-CREATE的令人兴奋之处在于,它有潜力识别具有独特表面结构的不同衣壳,以不同的方式解决相同的问题,比如以不同的方式穿越血脑屏障。”潜在的应用有很多,从传递治疗基因到动物疾病模型,再到更多地了解细胞表面受体的差异,以及不同菌株和物种之间血脑屏障的组成。”

这篇论文的题目是“多路复用的crei依赖选择产生针对不同脑细胞类型的全身性aav”。

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