成功地将大分子（ macromolecule）治疗药物通过血脑屏障(blood-brain barrier, BBB)递送到中枢神经系统是神经系统疾病治疗的主要挑战。近年来，被称为外泌体（exosome）的天然纳米颗粒（nanoparticle）被率先开发，并展示了其作为治疗载体的潜力。外泌体的天然大分子递送和靶向特性在siRNA全身递送至大脑中得到了很好的例证。此外，外泌体的递送似乎具有良好的耐受性。因此，这种新型天然纳米技术有可能通过血脑屏障进行全身药物递送，以治疗一系列神经系统疾病
治疗性蛋白质的递送有望治疗多种疾病。目前已有多种蛋白质疗法应用于临床，但它们多数局限于单克隆抗体、肽类激素和细胞因子，往往通过与细胞质膜上的受体结合来发挥作用，其递送有效性与安全性也存在不足。
同时，更多疾病是由细胞内特定蛋白的缺乏或功能障碍引起的，这些疾病的治疗需要实现治疗性蛋白质的细胞内递送，但这一点目前仍然面临着重重障碍。
Dong-Gyu Jo是成均馆大学药学院教授，他向我们介绍了当前蛋白质递送面临的3项重要挑战：「首先是免疫系统对注射蛋白质的反应，这可能导致免疫原性效应，不仅降低治疗效果，还会产生副作用；另一个重要挑战是确保有效递送跨越生物屏障，尤其是在治疗阿尔茨海默病等神经退行性疾病时，需要跨越血脑屏障；此外，治疗性蛋白质的生物利用度通常较低，在到达目标位置之前容易被迅速降解或清除，从而限制了治疗效果。」
为了解决上述挑战，设计出更高效、靶向性更强、更加可控的蛋白质递送机制，Dong-Gyu Jo教授带领团队尝试从外泌体（exosome）中寻找全新的递送方案。在一项发表于近期【科学-转化医学】（ Science Translational Medicine ）的研究中，研究团队开发出了基于外泌体的细胞内治疗性蛋白递送技术MAPLEX，并在小鼠实验中证实了其有效递送，并治疗阿尔茨海默病的能力。
外泌体是由细胞自然分泌的纳米尺寸囊泡。「外泌体具有天然穿过生物屏障（包括血脑屏障）的能力，并且与脂质纳米颗粒等合成载体相比，触发免疫反应的可能性较低。」 Dong-Gyu Jo表示，这些优势让外泌体有潜力成为治疗性生物分子的纳米载体。
不过，目前使用外泌体的蛋白质递送系统也存在待解决的悖论：要将蛋白质装载到外泌体中，需要让货物蛋白与外泌体标记蛋白相融合；但另一方面，抵达目标位置后，货物蛋白需要与外泌体标记蛋白分离，才能进入受体细胞、正常发挥作用。因此，需要设计工具让货物蛋白和外泌体标记蛋白在装载时结合，但在递送过程中切割。
为了精确控制两者结合的时间与空间，确保货物蛋白在进入靶细胞时能从外泌体膜中释放，研究团队创新性设计了一套光裂解系统。
具体来说，作者将光裂解蛋白mMaple3融合在货物蛋白和外泌体标记蛋白CD9之间，从而实现第一个目标：将货物蛋白装载到外泌体中。这时的货物蛋白-mMaple3-CD9虽然是结合状态，但其中的纽带mMaple3却是一枚「定时炸弹」。作为光裂解蛋白，顾名思义，mMaple3可以被特定波长的光裂解。
于是，在提纯融合蛋白后，研究团队在给药前通过450纳米的光诱导mMaple3裂解，这时货物蛋白也自然与CD9分离，从外泌体膜释放，实现了货物蛋白的细胞内递送！
▲MAPLEX系统设计示意图（图片来源：参考资料[1]）
Dong-Gyu Jo教授表示，这套系统确保了在细胞环境中正确激活和定位，提高了蛋白质递送的安全性和有效性。研究团队将该系统命名为「mMaple3介导的蛋白质装载到外泌体和从外泌体释放」，简称MAPLEX。
随后，研究团队对MAPLEX的实际应用潜力进行了初步检验。前面说到，由于需要穿过血脑屏障，治疗阿尔茨海默病的细胞内蛋白质药物递送尤为困难。我们知道，β-淀粉样蛋白是阿尔茨海默病的致病蛋白之一，而Β位淀粉样蛋白前体蛋白切割酶1（BACE1）是β-淀粉样蛋白生成途径的限速步骤，因此减少BACE1蛋白将有助于改善认知功能。
因此在这项实验中，研究团队使用MAPLEX，装载的货物蛋白是dCas9蛋白复合物与DNA甲基转移酶3A催化结构域（D3A）的融合蛋白，其中dCas9还结合了靶向 Bace1 基因的单向导RNA。由此，完整的货物蛋白称为sg Bace1 -dCas9-D3A。
▲MAPLEX系统能够对阿尔茨海默病小鼠模型进行体内的基因重组（上）与表观遗传（下）编辑（图片来源：参考资料[1]）
利用这套系统，研究团队通过鼻腔分别给两种阿尔茨海默病小鼠模型给药。通过基因重组与表观遗传编辑，MAPLEX分别降低了两种小鼠大脑中的 Bace1 表达和β-淀粉样蛋白水平，成功实现了对脑细胞的蛋白质递送，改善了小鼠的认知和记忆能力。
对于MAPLEX系统的未来前景，Dong-Gyu Jo教授表示，除了在神经退行性疾病中的已有发现，研究团队正在探索其在罕见遗传性疾病领域的应用前景：「对于这类疾病，精确的基因调控至关重要。而MAPLEX可以向受罕见遗传病影响的细胞递送基因编辑工具，从而提供潜在的靶向治愈手段。」
Dong-Gyu Jo教授继续介绍道：「未来我们还将进一步完善该系统，并将其应用扩展到包括癌症、自身免疫性疾病在内的一系列治疗领域。我们还在寻求合作，以加速MAPLEX进入临床试验，希望它能成为治疗多种疾病的多功能平台。」
参考资料：
[1] Jihoon Han et al. Engineered exosomes with a photoinducible protein delivery system enable CRISPR-Cas–based epigenome editing in Alzheimer’s disease. Science Translational Medicine (2024). DOI: 10.1126/scitranslmed.adi4830
