人类可能罹患的神经系统疾病超过600种，例如阿尔茨海默病、帕金森症、亨廷顿舞蹈症等。随着科技的进步，有一些神经系统疾病可通过重组蛋白（或抗体）加以治疗，但是这种基于蛋白的疗法最大的挑战是如何将蛋白药物递送到大脑内部，因为大脑受到血脑屏障的保护，禁止几乎所有蛋白大分子从外周血液进入大脑。
以色列科学家正在开发基于弓形虫的大脑药物递送新疗法。（资料图）
最近，来自以色列特拉维夫大学等机构的研究人员开发了一种全新的大脑药物递送新方法，将一种喜欢入侵动物大脑的寄生虫进行巧妙地改造，使其成为可将大分子蛋白药物运送到大脑相关区域的「快递员」，为神经系统疾病的治疗带来了新的希望，该研究成果2024年7月29日发表在【自然微生物学】上。
不怕猫的老鼠带来灵感
以色列研究人员所改造的寄生虫是一种刚地弓形虫。弓形虫属于单细胞生物，几乎无处不在，可广泛感染各类动物，包括爬虫类、鱼类、昆虫类、鸟类、哺乳类等动物和人，约1/3的人类感染有弓形虫。不过大多数动物都属于弓形虫的中间宿主，而它们的最终宿主则有猫和猫科动物。弓形虫一般通过粪口传播或母婴传播等方式进入宿主的消化系统，随后进入宿主的血液，随血液系统周游全身，通过复杂机制顺利突破血脑屏障进入大脑，最终长期盘踞在中枢神经系统的神经元中，甚至伴随宿主的一生。
跨越血脑屏障、自由进出大脑等中枢神经系统是这类弓形虫的天生本领。大多数弓形虫感染宿主后，一般对免疫力正常的宿主没有直接的损害，但是也有例外。最出名的例子当属感染弓形虫的老鼠不再怕猫，即使走到猫的近边也不会躲闪。
原来，老鼠摄入受弓形虫卵囊污染的食物之后，弓形虫卵囊随即进入老鼠肠道，通过血液循环以弓形虫包囊的形式，进入小鼠体内各种组织器官的有核细胞内，最终穿越血脑屏障进入大脑，弓形虫包囊通过分泌一些效应蛋白，作用于老鼠神经系统，使得老鼠对猫的味道不再敏感，从而失去了对猫等天敌的天生恐惧，导致老鼠更容易被猫吃掉。
这样弓形虫也更容易进入猫的体内，并最终在猫的肠道中完成它们生命周期最重要的环节——通过有性生殖方式繁衍后代，形成弓形虫卵囊排出体外，开启新的生命周期，而弓形虫在中间宿主一般只能依靠无性方式进行繁殖。
大脑药物「快递员」
弓形虫之所以能让老鼠不怕猫，最主要的原因是弓形虫不仅能突破血脑屏障，而且它们拥有三种分泌蛋白的细胞器，包括微丝粒、棒状体和致密颗粒，其中后两种细胞器可将相关蛋白直接递送到目标细胞。正是受到弓形虫这一特性的启发，以色列特拉维夫大学、英国格拉斯哥大学、美国亚利桑那大学、瑞士苏黎世大学等机构的研究人员合作设计了一种基于弓形虫内源性细胞器的蛋白递送系统，希望将其开发成一种全新的大脑给药方式，以解决神经系统疾病给药难题。
研究人员对弓形虫棒状体和致密颗粒细胞器自身蛋白进行基因改造，使其能表达各类重组蛋白，包括一些已证明可治疗神经系统疾病的重组蛋白，如由X性染色体基因突变引起的神经发育障碍类疾病雷特综合征（Rett syndrome），并借助棒状体和致密颗粒的蛋白分泌及递送的功能，将重组蛋白准确地递送到神经元。
棒状体和致密颗粒细胞器的蛋白分泌和递送模式稍有不同，其中棒状体系统并不需要入侵宿主细胞，而是通过一种叫做「亲吻和吐痰」（kiss and spit）的机制向目标蛋白递送蛋白质，即棒状体细胞器会结合在宿主细胞膜上，趁细胞膜开口瞬间（膜上离子通道打开进行细胞内外物质交换），像人类吐痰一样，将棒状体自己所分泌的蛋白质直接「吐入」宿主细胞内。致密颗粒蛋白分泌和递送则需要在宿主细胞内部完成，但是这种方式可提供更持久更大量的蛋白分泌。显然，这两种细胞器可以满足不同蛋白给药方式的需求。
为了验证这两种弓形虫细胞器向大脑递送重组蛋白的效率，研究人员设计了融合蛋白的蛋白表达策略，即采用棒状体或致密颗粒细胞器固有蛋白的DNA片段与需要递送的外源蛋白相应的DNA片段重组，并采用细胞器固有蛋白的基因调控结构，使得目标蛋白能在弓形虫细胞器中高效合成。
研究结果显示，经过基因改造的棒状体细胞器同样可与宿主细胞膜结合，借助「亲吻和吐痰」机制，将含有目标蛋白的融合蛋白分子递送到宿主细胞内部，从而实现目标蛋白的独立递送。研究人员还特地评估了棒状体细胞器递送基因编辑工具酶的能力，初步证明了弓形虫细胞器用于体内基因编辑治疗的潜力。
经过基因改造的致密颗粒细胞器也可通过入侵宿主细胞，在宿主细胞内部源源不断地分泌大量外源蛋白，甚至可将一些外源蛋白递送到宿主的细胞核内。研究人员还证明弓形虫细胞器可同时表达多种重组蛋白。
更重要的是，研究人员通过体外和体内试验重点评估了弓形虫细胞器向神经元递送甲基胞嘧啶结合蛋白2（MeCP2）蛋白的能力。雷特综合征是一种严重影响儿童精神运动发育的疾病，属于神经发育障碍类疾病，由X染色体上的MECP2基因突变或缺失引起。临床特征表现为进行性智力下降、孤独症行为、手的失用、刻板动作及共济失调等等，大多数患者为女性。目前全球只有美国于2023年批准了一种缓解雷特综合征症状的化学合成药物。科学家正在努力开发雷特综合征的基因疗法，一般以经过基因改造的腺病毒或艾滋病病毒为载体，搭载含有MeCP2蛋白全长基因的表达结构，通过脑室注射的方式将基因药物注射到大脑中，这些基因表达结构会在神经元中合成重组MeCP2蛋白，以弥补其不足，达到治疗雷特综合征的效果。该疗法目前已进入临床二期。不过，基于病毒载体的基因疗法存在重组蛋白表达效率低、仅能表达一些分子量较小的蛋白质等问题，这也为开发更高效的大脑蛋白药物递送新方法提出了要求。
研究人员采用人中脑祖细胞来源的多巴胺能神经元、大脑类器官以及活体小鼠，证明弓形虫棒状体和致密颗粒细胞器都能分泌重组MeCP2融合蛋白，并将重组蛋白递送到神经元，使得原本因基因突变而缺乏MeCP2蛋白的神经元内出现大量MeCP2蛋白，而且这些重组蛋白还能特异性结合到神经元的染色质和甲基化DNA，表现出治疗雷特综合征的潜力。在小鼠体内试验中，研究人员采取腹腔注射方法，就像给糖尿病患者注射胰岛素一样，将携带MeCP2融合蛋白基因结构的弓形虫注射到小鼠腹腔内。18天之后，研究人员在小鼠大脑神经元附近检测到了大量MeCP2融合蛋白的弓形虫包囊，而外周器官则很少检测到弓形虫包囊，证明弓形虫可特异地将治疗性蛋白质从动物腹部，经由外周血液循环，跨越血脑屏障，最终运送到大脑神经元。这说明表达外源MeCP2融合蛋白并不影响工程化弓形虫入侵大脑的能力，也不会影响弓形虫在大脑神经元中的分布，以及其免疫原性等特性。
研究人员也对弓形虫进入大脑后的分布进行了研究，发现弓形虫似乎更喜欢在大脑皮层——大脑的最外层区域，这部分区域主要参与感知、推理和决策等活动，其次是大脑的「记忆中心」——海马体，以及脑干、下丘脑和丘脑等部位。这些区域正好是治疗神经系统疾病的首选目标区域。
还有很多工作要做
该研究无疑已证明工程化弓形虫作为运输载体向大脑递送药物蛋白的可行性，而且也可作为研究神经元蛋白功能、递送基因编辑工具建立疾病模型或递送报告蛋白的研究工具。
不过，这项研究还属于概念验证阶段，要走向临床试验并最终获准用于神经系统疾病治疗，还需要很长的路要走。一方面，需要进一步对弓形虫及其蛋白分泌细胞器进行持续优化改造，比如筛选更合适的弓形虫品种和载体蛋白，改进基因调控元件等等，使其能更高效地表达和向目标神经元靶向递送蛋白质；另一方面则需要对弓形虫进行安全性改造，毕竟弓形虫有一定的神经毒性，对于免疫力低下的人群也会引发较为严重的疾病，因此通过采取破坏其毒性基因，限制其在体内繁殖和分化的能力等等措施，有望进一步提高弓形虫药物递送系统的安全性和有效性。
目前，以色列特拉维夫大学和英国格拉斯哥大学已就这一突破性技术申请了国际发明专利。相关研究人员也参与创立了一家生物医药公司，正在致力开发下一代生物载体，用于将治疗性蛋白质递送到中枢神经系统。
南方周末特约撰稿 汤波
责编 朱力远
