血脑屏障（BBB）是中枢神经系统一道重要的物理屏障，具有选择透过性，能够保护大脑免受毒素和病原体的侵害，从而保障神经系统发挥正常功能。
然而，脑部发生疾病时，这道屏障反而成了疾病的保护伞。比方说，对于脑肿瘤、帕金森、精神分裂症等大量中枢神经系统疾病，绝大部分药物都会被血脑屏障拒之门外。因此，迫切地需要有效突破血脑屏障的药物递送策略。
AAV 基因治疗是当前治疗遗传性脑部疾病一种极具前景的方法。然而，几十年来，基因治疗如何突破血脑屏障始终面临着很大的挑战，这道屏障某些特定的程度上阻碍了领域内开发更安全、更有效的脑部疾病基因疗法。
近日，博德研究所团队设计了一种新型的 AAV 衣壳 BI-hTFR1，可以与人转铁蛋白受体（TfR1）结合，有效穿过血脑屏障，将治疗性基因片段递送到人源化小鼠脑部。当研究团队将 AAV 注射到表达人源化转铁蛋白受体的小鼠血液中时，这种 AAV 在脑部的积累量比 AAV9 高 50 倍，可以递送到多个脑区中大多数的神经元和星形胶质细胞，递送基因拷贝数是 AAV9 的 30 倍。
研究人员表示，这朝着开发更有效的脑部疾病基因疗法迈出了重要一步，有望转化应用于人体发挥作用。
论文的通讯作者是Ben Deverman，他是博德研究所 Stanley 精神疾病研究中心载体工程化实验室主任和研究科学家。其实验室专注于开发可用于中枢神经系统的创新型基因递送方案，包括利用蛋白质工程、体内高通量筛选以及机器学习等多种方法开发更安全高效的 AAV 载体。
论文的第一作者是Qin Huang，她是载体工程化实验室的研究科学家，在腺相关病毒定向进化和用于药物发现的高通量筛选等方面经验比较丰富；共同一作是Ken Chan，他是载体工程化实验室的组长，近十年来始终致力于解决中枢神经系统基因递送问题。
在开发更高效的基因治疗递送载体的过程中，一个最重要的挑战是如何筛选出具备与人类患者有相似作用机制（MOA）的工程载体。筛选工程载体传统的方法依赖于动物衣壳文库，通过准备大量 AAV 库并在动物身上来测试来筛选出最佳候选衣壳，从而开发出特定用途的 AAV。
诚然，这种办法能够在无需了解 MOA 的情况下取得成功。但是，筛选出的 AAV 往往无法转化到其他物种中，也无法为 AAV 靶向器官提供信息，因此 AAV 基因治疗难以从动物试验转化到人体试验上。
在此背景下，Ben Deverman 团队自加入博德研究所以来一直专注于开发针对中枢神经系统疾病的 AAV 基因疗法。为了筛选出一种能进入人脑部的递送工具，该团队尝试了多种不同的方法。
2019 年，Ben Deverman团队发现 AAV-PHP.B 家族衣壳与受体蛋白结合可以将基因递送到小鼠中枢神经系统。这让他们想，是不是能够开发一种筛选方法，找到更多与已知在特定细胞上表达的蛋白质相互作用的 AAV；在去年发表的一项研究中，该团队在试管中筛选 AAV 文库，寻找与特定人类蛋白质结合的 AAV。作为概念验证，他们设计了一种肽修饰的 AAV 衣壳，通过靶向小鼠血脑屏障上表达的 LY6A 或 LY6C1 两种蛋白质将 AAV 递送到小鼠脑部。
这些研究表明，AAV 衣壳可以直接靶向特定目标蛋白质，生成具有已知作用机制和可预测趋向性的递送载体。
不过，灵长类动物中不存在 LY6A 或 LY6C1 这些蛋白。在最新的研究中，该团队选择了人转铁蛋白受体（TfR1）作为目标靶点，这是一种在人体血脑屏障中高表达的蛋白质，长期以来也是靶向脑部抗体疗法的目标靶点。有证据说明，已有相关疗法能进入人类大脑，用来医治中枢神经系统疾病或脑部肿瘤。
基于这种作用机制，为了将 AAV 衣壳靶向 TfR1，研究团队筛选了基于 AAV9 的 NNK 衣壳文库，这些变体在 VP1 残基 588-589 之间随机插入 7-mer，并使用该团队最近描述的受体靶向方法选择性与人 TfR1 结合。通过体外筛选，研究团队选择了四个具有共同序列基序的新型衣壳做验证，BI-hTFR1、BI-hTFR1-2、BI-hTFR1-3 和 BI-hTFR1-4。
其中，BI-hTFR1 是表现最好的衣壳，通过直接在衣壳的表面环 VIII 中插入一个新的 7-mer TfR1 识别序列来结合人血脑屏障上的 TfR1。带有该衣壳的 AAV 可以与血脑屏障上的人转铁蛋白受体结合，从而进入人体脑细胞中。
Qin Huang指出，找到跨物种有效的 AAV 递送载体十分艰难，因此找到一种利用人类受体发挥作用的药物是向前迈出了一大步。进一步讲，可在整个人中枢神经系统中有效递送基因的载体将扩大可治疗遗传疾病的范围。
完成工程载体的构建和筛选工作后，研究团队进一步在动物试验中验证这种新型 AAV 载体的效果。在动物试验中，研究团队将编码转铁蛋白受体的小鼠基因被替换为对应的人类基因，然后将 AAV 注射到成年小鼠的血液中。该团队发现与没有人转铁蛋白受体基因的小鼠相比，有 TfR1 大脑和脊髓中的 AAV 水平非常明显升高，这表明该受体能够积极将 AAV 递送穿过血脑屏障。
此外，BI-hTFR1 AAV 在脑组织中的积累量也比已获批中枢神经系统疾病基因疗法中使用的递送载体 AAV9 高 40-50 倍。新型 AAV 可以递送到多个脑区中大多数的神经元和星形胶质细胞，覆盖了大脑不一样的区域高达 71% 的神经元和 92% 的星形胶质细胞。
接下来，该团队探索其递送治疗性基因片段的效果，该团队使用筛选的 AAV 递送人类 GBA1 基因片段，这一基因突变引发了多种神经系统疾病，包括戈谢病、帕金森病和路易体痴呆。研究显示，新型 AAV 在小鼠体内递送的 GBA1 基因拷贝数是 AAV9 的 30 倍，并且递送到整个大脑。
“总之，我们的研究根据结果得出，BI-hTFR1 可通过人类 TfR1 的受体介导的胞吞效应（RMT）穿过血脑屏障，并将基因广泛有效递送到整个中枢神经系统中的神经元和胶质细胞。这些特性为进一步探索 BI-hTFR1 作为广泛适用于人类中枢神经系统疾病基因治疗的载体提供了强有力的支持。”
该团队还表示，这种 AAV 以人类蛋白质为目标靶点，很适合用于人体基因治疗，并且使用可行的制造办法能够达到与 AAV9 相似的产能和纯化产量。值得一提的是，Ben Deverman已经创办了基因治疗公司Apertura Gene Therapy转化这些 AAV 基因治疗，此公司正在开发利用 AAV 靶向中枢神经系统疾病的新疗法。公开资料显示，此公司已经完成了 6700 万美元 A 轮融资。
新闻稿中提到，博德研究所专注于开发朊病毒病治疗方法的两名研究人员 Sonia Vallabh 和 Eric Minikel 对这种可以递送到脑部的载体非常兴奋，他们非常看好这种载体的潜力。当我们考虑针对朊病毒病等全脑疾病的基因治疗时，需要真正的完成全身递送和广泛的生物分布才能实现目标。天然存在的 AAV 难以实现这一点，而这种工程衣壳则充满无限可能。
科学家们认为，经过进一步的优化，这种衣壳有可能提高 AAV 向中枢神经系统递送基因的效率，减少它们在肝脏中的积累，并避免在某些患者中被体内的抗体灭活。“如果这类 AAV 能够在患者身上发挥在小鼠研究中的预期作用，那么这种载体将比目前的选择更有效。”
