作者：徐斯佳 京都大学医学院博士

遗传性脑部疾病，如阿尔尔兹海默症和亨廷顿病等，通常是由脑细胞的基因缺陷或变异引起的，这些变异会导致大脑发育或功能异常。虽然传统的药物和手术治疗可以缓解症状，但往往无法治愈这些疾病。近年来，基因层面的治疗备受期待。但由于大脑有一种叫血脑屏障的保护机制，会严格限制出入脑组织的物质，这使得基因治疗的分子工具很难到达脑细胞。长期以来这一直是治疗脑部疾病的主要挑战。

在5月16日发表于《Science》杂志的一篇新研究中，来自美国博德研究所的Ben Deverman团队展示了他们开发的一种新型载体，能有效穿透血脑屏障，向大脑高效地递送用于治疗的健康基因。这项技术有望突破目前脑部基因治疗的瓶颈。这到底是怎么回事呢？

细胞DNA中的基因是产生各种功能性蛋白质的蓝图。脑细胞的基因缺陷和突变可能导致异常蛋白的产生和堆积，使大脑功能紊乱。

基因治疗是一种通过修复、替换病变基因或补充健康的基因来治疗疾病的技术。

为了进入细胞内部实施治疗，需要用到一种叫载体的工具。载体，顾名思义，它们就像装载着健康基因的微型货车，可以穿越细胞膜，将用于治疗的分子送到细胞内部。

腺相关病毒(简称AAV) 是FDA( 美国食品药品监督管理局) 批准的一类常用的基因治疗载体。人们在设计这类载体的时候，利用了病毒感染细胞的天然机制。细胞表面有多种受体蛋白，用来接收外部的信号分子。病毒能够与这些受体结合，借此机会穿越细胞膜进入细胞内部，然后释放出包裹在外壳里的病毒基因进行复制。而这种进入细胞的功能正是基因治疗所需要的。

较之其他病毒，经改造后的AAV安全温和，并仍然能有效进入特定细胞，递送基因，因此被用作载体。AAV载体有多个版本，分别被用于不同器官的基因治疗。2009年首次发现了能穿越血脑屏障的AAV9型载体。它被FDA批准用于中枢神经系统疾病的治疗，但其实它及其后续的改良版本对大脑的递送效率仍然比较低。

血脑屏障是大脑和循环系统之间的一种生物屏障。它由紧密相连的血管内皮细胞、平滑肌细胞和胶质细胞等组成。这个屏障对于进出大脑的物质有严格的选择性，通常只允许小分子物质如氧气、葡萄糖和氨基酸以及某些脂溶性物质通过。这能保护大脑免受血液循环中的大量代谢物和绝大多数病原体的侵害，但同时也将许多治疗手段拒之门外。

长期以来，研究人员用动物实验筛选能有效穿越血脑屏障的新载体。尽管有时取得成功，但换一个物种效果就大打折扣。

为了找到更有可能在人体内有效的载体，博德研究所的团队调整了策略，直接针对人类血脑屏障中的受体进行AAV的筛选和改造，并选定了转铁蛋白受体。这是一种在血脑屏障中密集表达的受体，也是用抗体药物靶向治疗大脑疾病的关键分子。

由于病毒通过其外壳与目标受体结合，研究人员从基于AAV9的病毒外壳库中进行筛选。他们在初步选中的外壳上加入了一段能被转铁蛋白受体识别的基因序列，最终设计出了一种能特异性结合人类转铁蛋白受体，并且能增强大脑内皮细胞的跨膜转运能力的新型AAV外壳。

为了进一步确认新载体在生物体内的效果，研究人员将它注射到一种”人源化小鼠”体内。这种小鼠转铁蛋白受体基因被替换成了人类的版本，从而更好地模拟人类血脑屏障的特性。实验结果发现，新型AAV在小鼠脑中的含量比传统AAV9高出40-50倍，并且在大脑中扩散得很好，能有效到达大部分神经元和星形胶质细胞。

研究团队进一步尝试用新载体将健康的GBA1基因传递到小鼠大脑中。GBA1基因的突变与帕金森病和戈谢病等多种神经系统疾病紧密相关。实验结果显示，使用新型AAV载体传递的GBA1基因在小鼠脑中的表达量是使用AAV9的30倍，并且分布广泛

高效的脑内递送和广泛分布这两个特性对于治疗阿尔兹海默症、帕金森病这种全脑性疾病非常重要。

接下来，这种新型载体还需进行临床测试。如果它在人体中也展现出良好的效果，将有望大幅提高许多患者的生活质量。

原文：
Huang Q, Chan KY, et al. An AAV capsid reprogrammed to bind human transferrinreceptor mediates brain-wide gene delivery. Science. Online May 16, 2024. DOI:10.1126/science.adm8386.

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：徐斯佳

审核：李翀 清华大学临床医学院科研办主任 副教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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