人類可能罹患的神經系統疾病超過600種，例如艾爾茨海默病、帕金森癥、亨廷頓舞蹈癥等。隨著科技的進步，有一些神經系統疾病可透過重組織蛋白（或抗體）加以治療，但是這種基於蛋白的療法最大的挑戰是如何將蛋白藥物遞送到大腦內部，因為大腦受到血腦屏障的保護，禁止幾乎所有蛋白大分子從外周血液進入大腦。
以色列科學家正在開發基於弓形蟲的大腦藥物遞送新療法。（資料圖）
最近，來自以色列臺拉維夫大學等機構的研究人員開發了一種全新的大腦藥物遞送新方法，將一種喜歡入侵動物大腦的寄生蟲進行巧妙地改造，使其成為可將大分子蛋白藥物運送到大腦相關區域的「快遞員」，為神經系統疾病的治療帶來了新的希望，該研究成果2024年7月29日發表在【自然微生物學】上。
不怕貓的老鼠帶來靈感
以色列研究人員所改造的寄生蟲是一種剛地弓形蟲。弓形蟲屬於單細胞生物，幾乎無處不在，可廣泛感染各類動物，包括爬蟲類、魚類、昆蟲類、鳥類、哺乳類等動物和人，約1/3的人類感染有弓形蟲。不過大多數動物都屬於弓形蟲的中間宿主，而它們的最終宿主則有貓和貓科動物。弓形蟲一般透過糞口傳播或母嬰傳播等方式進入宿主的消化系統，隨後進入宿主的血液，隨血液系統周遊全身，透過復雜機制順利突破血腦屏障進入大腦，最終長期盤踞在中樞神經系統的神經元中，甚至伴隨宿主的一生。
跨越血腦屏障、自由進出大腦等中樞神經系統是這類弓形蟲的天生本領。大多數弓形蟲感染宿主後，一般對免疫力正常的宿主沒有直接的損害，但是也有例外。最出名的例子當屬感染弓形蟲的老鼠不再怕貓，即使走到貓的近邊也不會躲閃。
原來，老鼠攝入受弓形蟲卵囊汙染的食物之後，弓形蟲卵囊隨即進入老鼠腸道，透過血液迴圈以弓形蟲包囊的形式，進入小鼠體內各種組織器官的有核細胞內，最終穿越血腦屏障進入大腦，弓形蟲包囊透過分泌一些效應蛋白，作用於老鼠神經系統，使得老鼠對貓的味道不再敏感，從而失去了對貓等天敵的天生恐懼，導致老鼠更容易被貓吃掉。
這樣弓形蟲也更容易進入貓的體內，並最終在貓的腸道中完成它們生命周期最重要的環節——透過有性生殖方式繁衍後代，形成弓形蟲卵囊排出體外，開啟新的生命周期，而弓形蟲在中間宿主一般只能依靠無性方式進行繁殖。
大腦藥物「快遞員」
弓形蟲之所以能讓老鼠不怕貓，最主要的原因是弓形蟲不僅能突破血腦屏障，而且它們擁有三種分泌蛋白的胞器，包括微絲粒、棒狀體和致密顆粒，其中後兩種胞器可將相關蛋白直接遞送到目標細胞。正是受到弓形蟲這一特性的啟發，以色列臺拉維夫大學、英國格拉斯哥大學、美國亞利桑那大學、瑞士蘇黎世大學等機構的研究人員合作設計了一種基於弓形蟲內源性胞器的蛋白遞送系統，希望將其開發成一種全新的大腦給藥方式，以解決神經系統疾病給藥難題。
研究人員對弓形蟲棒狀體和致密顆粒胞器自身蛋白進行基因改造，使其能表達各類重組織蛋白，包括一些已證明可治療神經系統疾病的重組織蛋白，如由X性染色體基因突變引起的神經發育障礙類疾病雷特症候群（Rett syndrome），並借助棒狀體和致密顆粒的蛋白分泌及遞送的功能，將重組織蛋白準確地遞送到神經元。
棒狀體和致密顆粒胞器的蛋白分泌和遞送模式稍有不同，其中棒狀體系統並不需要入侵宿主細胞，而是透過一種叫做「親吻和吐痰」（kiss and spit）的機制向目標蛋白遞送蛋白質，即棒狀體胞器會結合在宿主細胞膜上，趁細胞膜開口瞬間（膜上離子通道開啟進行細胞內外物質交換），像人類吐痰一樣，將棒狀體自己所分泌的蛋白質直接「吐入」宿主細胞內。致密顆粒蛋白分泌和遞送則需要在宿主細胞內部完成，但是這種方式可提供更持久更大量的蛋白分泌。顯然，這兩種胞器可以滿足不同蛋白給藥方式的需求。
為了驗證這兩種弓形蟲胞器向大腦遞送重組織蛋白的效率，研究人員設計了融合蛋白的蛋白表達策略，即采用棒狀體或致密顆粒胞器固有蛋白的DNA片段與需要遞送的外源蛋白相應的DNA片段重組，並采用胞器固有蛋白的基因調控結構，使得目標蛋白能在弓形蟲胞器中高效合成。
研究結果顯示，經過基因改造的棒狀體胞器同樣可與宿主細胞膜結合，借助「親吻和吐痰」機制，將含有目標蛋白的融合蛋白分子遞送到宿主細胞內部，從而實作目標蛋白的獨立遞送。研究人員還特地評估了棒狀體胞器遞送基因編輯工具酶的能力，初步證明了弓形蟲胞器用於體內基因編輯治療的潛力。
經過基因改造的致密顆粒胞器也可透過入侵宿主細胞，在宿主細胞內部源源不斷地分泌大量外源蛋白，甚至可將一些外源蛋白遞送到宿主的細胞核內。研究人員還證明弓形蟲胞器可同時表達多種重組織蛋白。
更重要的是，研究人員透過體外和體內試驗重點評估了弓形蟲胞器向神經元遞送甲基胞嘧啶結合蛋白2（MeCP2）蛋白的能力。雷特症候群是一種嚴重影響兒童精神運動發育的疾病，屬於神經發育障礙類疾病，由X染色體上的MECP2基因突變或缺失引起。臨床特征表現為進行性智力下降、孤獨癥行為、手的失用、刻板動作及共濟失調等等，大多數患者為女性。目前全球只有美國於2023年批準了一種緩解雷特症候群癥狀的化學合成藥物。科學家正在努力開發雷特症候群的基因療法，一般以經過基因改造的腺病毒或愛滋病病毒為載體，搭載含有MeCP2蛋白全長基因的表達結構，透過腦室註射的方式將基因藥物註射到大腦中，這些基因表現結構會在神經元中合成重組MeCP2蛋白，以彌補其不足，達到治療雷特症候群的效果。該療法目前已進入臨床二期。不過，基於病毒載體的基因療法存在重組織蛋白表達效率低、僅能表達一些分子量較小的蛋白質等問題，這也為開發更高效的大腦蛋白藥物遞送新方法提出了要求。
研究人員采用人中腦祖細胞來源的多巴胺能神經元、大腦類器官以及活體小鼠，證明弓形蟲棒狀體和致密顆粒胞器都能分泌重組MeCP2融合蛋白，並將重組織蛋白遞送到神經元，使得原本因基因突變而缺乏MeCP2蛋白的神經元內出現大量MeCP2蛋白，而且這些重組織蛋白還能特異性結合到神經元的染色質和甲基化DNA，表現出治療雷特症候群的潛力。在小鼠體內試驗中，研究人員采取腹腔註射方法，就像給糖尿病患者註射胰島素一樣，將攜帶MeCP2融合蛋白基因結構的弓形蟲註射到小鼠腹腔內。18天之後，研究人員在小鼠大腦神經元附近檢測到了大量MeCP2融合蛋白的弓形蟲包囊，而外周器官則很少檢測到弓形蟲包囊，證明弓形蟲可特異地將治療性蛋白質從動物腹部，經由外周血液迴圈，跨越血腦屏障，最終運送到大腦神經元。這說明表達外源MeCP2融合蛋白並不影響工程化弓形蟲入侵大腦的能力，也不會影響弓形蟲在大腦神經元中的分布，以及其免疫原性等特性。
研究人員也對弓形蟲進入大腦後的分布進行了研究，發現弓形蟲似乎更喜歡在大腦皮層——大腦的最外層區域，這部份區域主要參與感知、推理和決策等活動，其次是大腦的「記憶中心」——海馬體，以及腦幹、下視丘和丘腦等部位。這些區域正好是治療神經系統疾病的首選目標區域。
還有很多工作要做
該研究無疑已證明工程化弓形蟲作為運輸載體向大腦遞送藥物蛋白的可行性，而且也可作為研究神經元蛋白功能、遞送基因編輯工具建立疾病模型或遞送報告蛋白的研究工具。
不過，這項研究還屬於概念驗證階段，要走向臨床試驗並最終獲準用於神經系統疾病治療，還需要很長的路要走。一方面，需要進一步對弓形蟲及其蛋白分泌胞器進行持續最佳化改造，比如篩選更合適的弓形蟲品種和攜帶蛋白，改進基因調控元件等等，使其能更高效地表達和向目標神經元靶向遞送蛋白質；另一方面則需要對弓形蟲進行安全性改造，畢竟弓形蟲有一定的神經毒性，對於免疫力低下的人群也會引發較為嚴重的疾病，因此透過采取破壞其毒性基因，限制其在體內繁殖和分化的能力等等措施，有望進一步提高弓形蟲藥物遞送系統的安全性和有效性。
目前，以色列臺拉維夫大學和英國格拉斯哥大學已就這一突破性技術申請了國際發明專利。相關研究人員也參與創立了一家生物醫藥公司，正在致力開發下一代生物載體，用於將治療性蛋白質遞送到中樞神經系統。
南方周末特約撰稿 湯波
責編 朱力遠
