新细菌“注射器”能破解基因治疗递送难题吗？

3月29日，美国麻省理工学院—哈佛大学博德研究所张锋团队在《自然》杂志在线发表的论文中宣布，通过AlphaFold辅助蛋白质设计开发了一种新的蛋白质递送系统——改造、利用独特的细菌“注射器”将蛋白质注射到人类细胞中。

上海科技大学生命科学与技术学院王皞鹏教授表示，这项研究为蛋白质精准递送技术的设计和开发提供了新方向，为将来在基因治疗、癌症治疗、生物防治、核酸递送等领域的应用奠定了技术基础。但相关应用还需要进一步的研究和开发。

华东师范大学生命科学学院研究员吴宇轩认为：“这一系统在细胞靶向特异性方面展现出的出色效果令人振奋，但其递送效率仍有一定的提升空间，体内递送的长期安全性也需要更多更具说服力的研究数据支撑。而针对递送效率、特异性、安全性等的充分研究是临床应用前不可或缺的。”

精准、灵活的细菌“注射器”

内共生细菌是一类特殊的细菌，可以寄生在宿主细胞内部，它已经进化出复杂的递送系统，使其能够分泌调节宿主细胞的生物因子。细胞外收缩注射系统（eCIS）就是一个例子，它是一种类似注射器的大分子复合物，可以通过在细胞膜表面诱导出一个刺突蛋白，从而将携带的蛋白质有效载荷注入到真核细胞中。

张锋团队选择了来自生物发光细菌Photorhabdus asymbiotica的eCIS——PVC。PVC有效载荷蛋白的N端高度无序区域是其“包装结构域”，只要将其与想要递送的蛋白融合，就能将其加载到PVC复合体中。随后，他们利用预测蛋白质结构的人工智能程序AlphaFold设计了修改尾部纤维蛋白的方法，使其能够精准地靶向人类细胞表面表达的不同蛋白。

通过对eCIS的进一步改造，张锋团队可以使用这一系统递送不同类型的蛋白载荷，他们已经在体外实验中成功递送了CRISPR基因编辑系统中的Cas9蛋白，以及另一类用于基因编辑的锌指蛋白。在小鼠的体内实验中，这种经过改造的递送系统也可以将蛋白递送到小鼠大脑的神经元中。

PVC递送系统将有哪些应用潜力？王皞鹏认为，它可以应用于基因治疗、癌症治疗、生物防治和核酸递送4个方面。“虽然作者没有在文中成功实现核酸的递送，但是目前有研究利用病毒肽构建病毒样颗粒实现核酸的递送将病毒肽与DNA结合，然后将病毒肽包裹在PVC内，可能也可以利用PVC系统实现核酸递送。”

具有高度靶标特异性，但效率有待提升

吴宇轩的研究方向之一是通过CRISPR基因编辑治疗以地中海贫血为主的血液疾病。他表示，张锋团队研发的PVC递送系统表现出高度的靶标特异性，能有效地将载荷递送到拥有特定表面受体的细胞中。尤其是在人和小鼠细胞的靶向特异性测试中，展现了接近100%的靶向特异性。另一方面，该系统的靶向特异性可以通过对尾部纤维蛋白的合理改造来实现，这表明PVC展现出的高特异性是便于改造和拓展的，这给利用该系统进行细胞或组织特异性的体内蛋白靶向递送提供了广阔的想象空间。

吴宇轩指出，这一递送系统的递送效率仍有待提升。“该研究中展示的基于PVC的递送系统进行体外细胞系基因编辑的效率仅有12%左右，距离各种疾病使用基因编辑进行治疗的效率阈值仍有差距。”

另一方面，如果要将该递送技术应用于体内，考虑到递送损耗以及体内细胞所处环境的复杂性，该递送系统所产生的编辑效率可能会进一步下降。“与目前常用的AAV载体相比，基于PVC的递送系统颗粒大小（约116nm）相较于前者（约25nm）较大，和纳米脂质体颗粒（LNP，约60nm—200nm）大概相当。过大的包装体积，可能给体内实质组织中的深层细胞的高效率递送造成一定的困难。并且，基于本项和前人关于PVC系统的研究，我们推测，该系统的包装递送效率可能也会受到载荷蛋白大小的影响，这可能是该递送系统针对体外细胞的编辑效率过低的一个可能的原因。”

基因编辑知名科学家为何转向递送系统研究？

张锋是基因编辑领域先驱科学家。2013年1月，张锋团队首次将CRISPR基因编辑技术应用于哺乳动物和人类细胞。2013年年底，张锋及其他4位基因编辑先驱科学家合伙创立了基因编辑公司Editas Medicine，创始团队包括2020年因开发基因编辑技术而获得诺贝尔化学奖的詹妮弗杜德纳，以及碱基编辑先驱刘如谦。

2023年2月，张锋联合创建的新锐基因编辑公司Aera Therapeutics完成了近2亿美元融资，将进一步优化根据其实验室研究开发的蛋白纳米颗粒（PNP）递送平台技术。刘如谦的研究团队也正在开发基于病毒样颗粒（virus-like particles, VLP）的递送工具。此外，还有多家新锐公司专注于开发创新载体。

吴宇轩也注意到了张锋和刘如谦的动向。他认为，两位基因编辑领域的知名科学家转向递送系统研究的一个重要原因是，基因编辑药物从体外的细胞治疗往直接体内治疗过渡的过程中，对递送载体提出了更高的要求，递送载体成了体内基因编辑药物临床应用的关键限速步骤。

张锋在接受《自然》采访时表达了相似的观点。他认为，递送系统的限制是基因编辑的主要瓶颈之一，大多数临床试验只能编辑肝脏、眼睛或血细胞的基因组，因为这些实验使用目前的递送方法完成。“我们没有看到大脑或肾脏疾病得到解决，是因为没有良好的递送系统。”