張鋒最新 Nature 論文改造出全新蛋白質(zhì)定向遞送系統(tǒng)，可能 ...

數(shù)碼桃桃

2023年3月29日，CRISPR基因編輯先驅(qū)張鋒教授及其團(tuán)隊(duì)在 Natrue 期刊發(fā)表了題為：Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system 的研究論文。
在這項(xiàng)最新研究中，張鋒團(tuán)隊(duì)通過(guò)AlphaFold輔助蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種蛋白質(zhì)遞送系統(tǒng)——改造、利用獨(dú)特的細(xì)菌“注射器”將蛋白質(zhì)注射到人類(lèi)細(xì)胞中。這種新型蛋白質(zhì)遞送方式或?qū)⒏淖兓蛑委煛┌Y治療等前沿療法格局，具有強(qiáng)大的應(yīng)用前景。

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論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-05870-7

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胡蘿北

這個(gè)新聞看到有一陣子了，給我的震撼還是蠻大的，鑒于其他答主已經(jīng)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了非常詳細(xì)的解讀，這里我就不再針對(duì)該技術(shù)做過(guò)多贅述（我推薦 @極薩學(xué)院冷哲 和 @麻瓜 的回答，寫(xiě)的非常好）。我這個(gè)回答側(cè)重談張鋒教授包括新聞中蛋白質(zhì)注射器在內(nèi)的兩項(xiàng)受細(xì)菌啟發(fā)的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。
這項(xiàng)研究的意義不亞于當(dāng)年橫空出世的CRISPR-Cas9“基因剪刀”技術(shù)。而且這兩項(xiàng)技術(shù)還都是張鋒教授開(kāi)發(fā)的，其來(lái)源也都是細(xì)菌和噬菌體斗法的產(chǎn)物。
殺不死細(xì)菌的，讓細(xì)菌更強(qiáng)大

其實(shí)簡(jiǎn)單了解到這個(gè)新聞的朋友可能注意到了，這個(gè)神奇的注射器跟噬菌體不能說(shuō)一模一樣吧，至少也算是形神兼?zhèn)淞恕?br />

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蛋白質(zhì)遞送系統(tǒng)（上）和噬菌體（下）

細(xì)菌的這種神器注射器很有可能就是細(xì)菌在漫長(zhǎng)的演化歷史上與噬菌體不斷斗法，不僅沒(méi)有被噬菌體徹底滅亡，反而通過(guò)“俘獲”部分噬菌體的遺傳物質(zhì)，習(xí)得了這個(gè)神技。從而合成出這種特殊的細(xì)菌蛋白質(zhì)，即蛋白質(zhì)注射器。
CRISPR-Cas9系統(tǒng)也是如此。當(dāng)噬菌體感染細(xì)菌后，噬菌體遺傳物質(zhì)就會(huì)進(jìn)入細(xì)菌，然后開(kāi)始利用細(xì)菌的細(xì)胞器合成噬菌體。但在漫長(zhǎng)的演化過(guò)程中，一些特殊的細(xì)菌學(xué)會(huì)了把噬菌體遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為特殊的序列，從而讓自己能夠“認(rèn)得”噬菌體。甚至還演化出了特殊的酶（Cas），用于剪切噬菌體遺傳物質(zhì)，讓入侵的噬菌體無(wú)法完成復(fù)制。這就相當(dāng)于細(xì)菌對(duì)這種噬菌體有了“免疫力”。

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1，噬菌體注射DNA遺傳物質(zhì)；2，細(xì)菌將噬菌體遺傳物質(zhì)儲(chǔ)存為“記憶”序列；3，“記憶”序列加工成前CRISPR；4，加工成gRNA；5，gRNA和Cas蛋白組成復(fù)合體；6，復(fù)合體結(jié)合新入侵的噬菌體DNA，將其切斷。

受細(xì)菌啟發(fā)的顛覆性研究/治療工具

無(wú)論是CRISPR-Cas系統(tǒng)也好，還是細(xì)菌注射器也罷，闡釋出這種機(jī)制本身就已經(jīng)是非常了不起的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。而這兩種細(xì)菌對(duì)抗噬菌體的特殊機(jī)制本身也有巨大的應(yīng)用前景。
首先，如果我們將CRISPR-Cas系統(tǒng)從細(xì)菌移植到動(dòng)物細(xì)胞，把gRNA序列設(shè)計(jì)成我們想要編輯的目標(biāo)序列，那不就可以引導(dǎo)Cas蛋白把這段序列剪斷嗎？然后無(wú)論是我們想破壞它還是往里面插入一段新的序列，都成為了可能。

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此前鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的賀建奎基因編輯嬰兒案就是用的這個(gè)技術(shù)。
如何看待媒體報(bào)道稱(chēng)世界首例免疫艾滋病的基因編輯嬰兒在中國(guó)誕生，是否屬實(shí)？具有怎樣的意義？豬心移植給人的新聞中使用的豬心也并非普通豬的心臟，而是利用該技術(shù)進(jìn)行了基因編輯的豬，從而在免疫學(xué)上更像人類(lèi)的心臟，從而避免超急性和急性排斥反應(yīng)，同時(shí)切掉了豬基因組中的一些可能在人體中“復(fù)活”的病毒序列。
如何看待全球首個(gè)接受豬心臟移植病患死亡，距進(jìn)行手術(shù)不足 2 個(gè)月？可能是由哪些因素導(dǎo)致？

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楊璐菡使用CRISPR-Cas9技術(shù)清理了豬基因組中潛在的病毒序列

而張鋒教授的最新發(fā)現(xiàn)——蛋白質(zhì)注射器則是另一種有重大治療意義的潛在工具。
這種特殊的蛋白質(zhì)本身長(zhǎng)得就像注射器——針筒+藥液。

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其中藍(lán)色和紫色部分就是針筒，而紅色橙色部分就是“藥液”。只不過(guò)在細(xì)菌中找到的原始版本裝的是讓細(xì)胞死亡的毒蛋白，我們只需要修改這段序列，就可以讓注射器裝載我們需要的藥液，完成我們需要的工作。
而這個(gè)注射器的“針頭”則無(wú)意識(shí)最精妙的部分——它有識(shí)別能力。張鋒教授通過(guò)一種推算蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的AI工具——AlphaFold設(shè)計(jì)出能夠與目標(biāo)受體完美結(jié)合的序列，然后用它替換掉注射器原有的針頭，這個(gè)注射器就可以“扎到”需要的細(xì)胞，而對(duì)其他細(xì)胞不起作用。提高了治療的精準(zhǔn)度，避免了治療的副作用。

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利用AlphaFold設(shè)計(jì)“針頭”

重大變革的前夜，生逢其時(shí)的工具

前段時(shí)間，我解讀了另外一篇最新文獻(xiàn)，從篩選治療靶點(diǎn)到推算靶點(diǎn)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)，再到設(shè)計(jì)化學(xué)分子、分析親和力的一整套藥物研發(fā)流程AI都可以完成，而且即使加上細(xì)胞和動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也僅僅耗時(shí)30天，創(chuàng)造了一個(gè)“藥物”（因?yàn)檫€沒(méi)有通過(guò)臨床試驗(yàn)，所以要加引號(hào)）開(kāi)發(fā)的速度記錄。
研究人員稱(chēng) AI 僅用 30 天研發(fā)出潛在抗癌新藥，并能預(yù)測(cè)患者的生存率，能給醫(yī)學(xué)帶來(lái)哪些影響？無(wú)獨(dú)有偶，張鋒教授在為蛋白質(zhì)注射器設(shè)計(jì)“針頭”的時(shí)候再次用到了AlphaFold，所以靶向序列的設(shè)計(jì)速度大大加快了。
無(wú)論是基于CRISPR-Cas9技術(shù)的基因治療，還是未來(lái)利用蛋白質(zhì)注射器直接把活性蛋白導(dǎo)入到目標(biāo)細(xì)胞，AI都可以加快序列設(shè)計(jì)、靶向分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的速度。在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，基于這兩項(xiàng)技術(shù)的研究，甚至是藥物開(kāi)發(fā)計(jì)劃將在AI的幫助下以極快的速度涌現(xiàn)出來(lái)。
很多創(chuàng)新的治療方法都需要大量實(shí)驗(yàn)加以試錯(cuò)，而嘗試的越多越快，找到靠譜方法的概率也就越高。
就如同細(xì)菌面對(duì)噬菌體的入侵，在無(wú)數(shù)次的細(xì)菌分裂復(fù)制過(guò)程中，一些特殊的細(xì)菌練成了對(duì)付噬菌體的CRISPR大法，有些則“偷走”了噬菌體的“神兵利器”為己所用。

阿玲

好的工作有用、有趣、聰明，這個(gè)工作三者具備。
我講講這個(gè)工作為什么好玩：
首先，這工作偷師于自然[1]。
自然界中，細(xì)菌會(huì)釋放一些小玩意兒調(diào)控宿主細(xì)胞。有一種長(zhǎng)得像針管一樣，叫作收縮注射系統(tǒng)（contractile injection systems，CIS），會(huì)把“針管”里的“子彈蛋白”打到宿主體內(nèi)。
比如這里的“子彈”是毒蛋白PDP1，會(huì)導(dǎo)致宿主細(xì)胞死亡。

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如果把“子彈”換成治療蛋白，不就可以治??？
如果把“毒蛋白”靶向癌細(xì)胞，不就可以殺癌？
雖然這個(gè)系統(tǒng)很有應(yīng)用價(jià)值，但它目前的子彈和靶向細(xì)胞都不太對(duì)，想用到人身上得做些改造：

1.子彈上膛：怎么把其他蛋白裝進(jìn)針管？

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這個(gè)針管本身裝載一種叫“PDP1”的蛋白，這是個(gè)毒蛋白，打到昆蟲(chóng)細(xì)胞Sf9里，細(xì)胞就死了。
PDP1毒蛋白有一段PD結(jié)構(gòu)域，會(huì)被識(shí)別裝載到“針管”里。如果把這段PD結(jié)構(gòu)域融合到想遞送的蛋白上（比如表達(dá)一個(gè)PD-GFP綠色熒光蛋白)，針管就能裝其他子彈。打進(jìn)細(xì)胞，細(xì)胞就能發(fā)綠光。
所以，PD-融合蛋白首先解決了“子彈”上膛問(wèn)題。

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2.子彈怎么瞄準(zhǔn)靶標(biāo)細(xì)胞？
這個(gè)針管有觸角，叫作PVC13，“觸角”能識(shí)別靶標(biāo)細(xì)胞的，像這里的PVC13就靶向昆蟲(chóng)細(xì)胞。
怎么靶向人的細(xì)胞呢？
如果把針管的“觸角”P(pán)VC13改造一下，連接能識(shí)別人細(xì)胞的蛋白AD5-KNOB結(jié)構(gòu)域，或者連接能識(shí)別人肺細(xì)胞EGFR受體的抗體蛋白，會(huì)不會(huì)使“子彈”打向人的細(xì)胞？
果然，改造之后，針管從打昆蟲(chóng)細(xì)胞變成打人的細(xì)胞。
如果針管裝上毒蛋白PDP1，人細(xì)胞就會(huì)被打死。

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3.應(yīng)用環(huán)節(jié)：“子彈”打向小鼠神經(jīng)元
子彈上膛研究好了，做一個(gè)PD-融合蛋白就行。
子彈射向誰(shuí)也研究好了，針管觸角上加個(gè)靶向蛋白就行。
下面就到應(yīng)用時(shí)間：
“子彈”用CRE蛋白，“針管”觸角改成靶向小鼠神經(jīng)元的Ad5(RGD/PK7)，就能把CRE送進(jìn)神經(jīng)元，顯示出紅色，特異靶向哺乳動(dòng)物的神經(jīng)元，而不會(huì)靶向小膠質(zhì)細(xì)胞。

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4.更廣闊的應(yīng)用：
工作做到這里，概念就證明完了。
這個(gè)工作除了讓小鼠神經(jīng)元變紅，還有其他用嗎？
其實(shí)應(yīng)用價(jià)值很大，如果“針管”打一些治療蛋白就可以治病。比如“針管”裝上基因編輯工具ZFN，就可以直接編輯特定細(xì)胞，治療一些遺傳疾病。
而“針管”裝一些毒蛋白，就可以毒死癌細(xì)胞。
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5.優(yōu)缺點(diǎn)：
這個(gè)系統(tǒng)比較AAV之類(lèi)的病毒遞送系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)好處是“針管”和“子彈”都可以組裝，生產(chǎn)成本有機(jī)會(huì)做得很低；另一個(gè)好處是“針管”上的受體可以調(diào)整，靶向細(xì)胞的類(lèi)型非常靈活。
而這個(gè)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是免疫原性，“針管”蛋白不是人源的，會(huì)被人免疫排斥，目前大概率不能重復(fù)給藥。

總的來(lái)說(shuō)，這工作又有趣（偷師自然），又聰明（大量改造），又有用（可以治?。?br /> 三項(xiàng)占一項(xiàng)就不錯(cuò)了，占全三項(xiàng)，是一流的工作。

為你遮風(fēng)擋雨

說(shuō)來(lái)慚愧，這論文還是學(xué)生先發(fā)給我的，讓我一起來(lái)膜拜大佬，然后我真的膜拜到了半夜。
先說(shuō)結(jié)論，這技術(shù)是一個(gè)不亞于CRISPR的技術(shù)，可以說(shuō)是一個(gè)能改變生物工具箱的技術(shù)。這技術(shù)不管是用在基因編輯，生物醫(yī)藥，甚至癌癥治療上，都有大用。
再加上張峰在21年開(kāi)發(fā)的那套叫做SEND的RNA遞送系統(tǒng)，這都可以和eCIS系統(tǒng)結(jié)合，做成一個(gè)CRISPR組合包了。

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甚至我懷疑，這兩個(gè)技術(shù)本身，就是張峰為了拓展CRISPR的應(yīng)用開(kāi)發(fā)的。
來(lái)聊聊這個(gè)新發(fā)現(xiàn)。
靶向遞送一直是一個(gè)困擾生物學(xué)，尤其是醫(yī)學(xué)的問(wèn)題。
我們近些年所倡導(dǎo)的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)里邊，一方面是針對(duì)于不同基因型采取不同用藥方式，而另一方面就是針對(duì)不同的疾病和病灶，采取精準(zhǔn)用藥的方式。
比如說(shuō)傳統(tǒng)的用藥方式那就是地毯式的轟炸，而精準(zhǔn)用藥就是精確制導(dǎo)導(dǎo)彈。
比如張峰的的CRISPR/Cas9工具特別好用，但存在的問(wèn)題是，怎么把基因編輯工具靶向性的遞送到關(guān)鍵的細(xì)胞里。
在之前我們也開(kāi)發(fā)過(guò)很多靶向藥系統(tǒng)，比如最常見(jiàn)的被動(dòng)靶向藥物釋放系統(tǒng)。
被動(dòng)靶向藥物釋放系統(tǒng)依賴于生物體內(nèi)的生理和病理過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)藥物的定位。例如，腫瘤組織通常具有異常的血管結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的血管通透性，這使得藥物在腫瘤組織中更容易聚集。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為增強(qiáng)滲透性和保留效應(yīng)（EPR效應(yīng)）。很多納米脂質(zhì)體（LNP）遞送技術(shù)就依托于這個(gè)原理。
所以為啥治療肝病的靶向藥物這么多呢？因?yàn)長(zhǎng)NP很適合靶向肝臟。
看原理就知道，這種靶向方法精準(zhǔn)度不高，而且局限性很大。
所以人們就更期待主動(dòng)靶向藥物釋放系統(tǒng)，主動(dòng)靶向藥物釋放系統(tǒng)通過(guò)在藥物載體表面修飾具有高度特異性的靶向分子，使得藥物能夠精確地作用于特定的靶細(xì)胞或組織。
主動(dòng)靶向看起來(lái)很美好，但是問(wèn)題也很多，比如靶向分子不好找，靶向難做。再比如制備復(fù)雜，成本高。還有免疫原性問(wèn)題，體內(nèi)穩(wěn)定性問(wèn)題，細(xì)胞內(nèi)釋放效率問(wèn)題以及能否做針對(duì)性改變的問(wèn)題。
張峰這次開(kāi)發(fā)的，就是一種主動(dòng)靶向遞送系統(tǒng)，而且具有幾個(gè)特別強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)：效率高，可編程，免疫原性低，安全性高，代謝快。
幾乎就是一款“接近于完美”的蛋白遞送系統(tǒng)。
與CRISPR系統(tǒng)類(lèi)似，細(xì)胞外可收縮注射系統(tǒng)（eCIS）也是來(lái)自于自然界中的已有的生物中的獨(dú)特的功能體系。
對(duì)于自然界的一種特別的生物，內(nèi)功生細(xì)菌，是一種與宿主細(xì)胞形成緊密共生關(guān)系的微生物，通常生活在宿主細(xì)胞內(nèi)部。這些細(xì)菌經(jīng)常需要分泌調(diào)節(jié)宿主生物學(xué)有利于共生體適應(yīng)性的因子來(lái)調(diào)控宿主，但這些因子（蛋白質(zhì)）很難穿過(guò)細(xì)胞膜，所以內(nèi)共生菌進(jìn)化出了一套類(lèi)似于噬菌體尾部的注射系統(tǒng)的功能來(lái)傳遞調(diào)控因子。

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這玩意是不是神似下邊的這個(gè)噬菌體結(jié)構(gòu)？

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要不咋說(shuō)大自然很神奇呢？
而張峰團(tuán)隊(duì)就是基于這一個(gè)原理，進(jìn)行了深入的研究，他們選擇了自發(fā)光桿菌屬的一種線蟲(chóng)共生菌，將它的eCIS命名為Photorhabdusvirulence cassette（PVC）。
PVC這東西本來(lái)就是用來(lái)運(yùn)送生物毒素的，顯微鏡下是這樣的。

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我們把他的結(jié)構(gòu)抽象出來(lái)是這樣的。

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那么，PVC是如何靶向細(xì)胞的？問(wèn)題就出現(xiàn)在這家伙的腳上。
這個(gè)腳，就像是一個(gè)導(dǎo)彈的導(dǎo)航系統(tǒng)一樣。這時(shí)候張峰團(tuán)隊(duì)的腦洞就來(lái)了，那如果我們修改一下這個(gè)腳的結(jié)構(gòu)，是不是就可以按著我們所設(shè)計(jì)的目標(biāo)去導(dǎo)航了？
事實(shí)證明，這玩意真的可以。張峰團(tuán)隊(duì)用AlphaFold設(shè)計(jì)和編程了幾個(gè)Pvc13（尾纖維）的結(jié)構(gòu)進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，靶向人體細(xì)胞，這里參照的Ad5（一種人體可感染的腺病毒）的結(jié)構(gòu)，驚人的結(jié)果是，真的好用。而且效率驚人的高，幾乎是100%。而且準(zhǔn)確率非常高，幾乎沒(méi)什么脫靶的。

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接下來(lái)又做了小鼠的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。他們又用AlphaFold設(shè)計(jì)出一個(gè)可以用在小鼠神經(jīng)元細(xì)胞的靶向蛋白，然后把這個(gè)做出來(lái)以后注射到了小鼠的海馬體內(nèi)。

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結(jié)果一樣說(shuō)明在體內(nèi)這套系統(tǒng)依然可以運(yùn)行，同時(shí)在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，PVC靶向的目標(biāo)基本都集中在神經(jīng)元中，說(shuō)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)元細(xì)胞的靶向非常好。
而且在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)7天后，沒(méi)有觀察到小鼠的炎癥反應(yīng)，小鼠沒(méi)有發(fā)生體重減輕的變化，以及，檢測(cè)不到PVC的存在了。
這意味著，PVC這東西，在小鼠體內(nèi)，沒(méi)有引發(fā)什么免疫反應(yīng)，而且都順利的代謝掉了。
安全，有效，代謝快。
這東西，就像是給生物學(xué)家打開(kāi)了一個(gè)新世界的大門(mén)。
一個(gè)可以根據(jù)目標(biāo)不同，進(jìn)行編程的蛋白遞送系統(tǒng)，而且可以遞送上百KD的蛋白（Cas9有170多KD），同時(shí)具備了高效，安全，低免疫原性，還代謝快這些特性，所以我前邊說(shuō)這幾乎是一個(gè)接近于完美的蛋白遞送系統(tǒng)。
而且不要忘了，這才只是一個(gè)共生菌里的，那么多共生菌呢？這就是給全世界的生物學(xué)家打開(kāi)了一個(gè)新世界的大門(mén)啊。
這次讓我們?cè)俅纹诖龔埛瀚@得諾貝爾獎(jiǎng)的消息吧。
膜拜大佬。

飛翔的小鳥(niǎo)

基因編輯領(lǐng)域先驅(qū)張鋒教授團(tuán)隊(duì)在頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表最新研究，帶來(lái)了一種全新的蛋白遞送系統(tǒng)，它具有將任何蛋白精準(zhǔn)遞送到任何指定人類(lèi)細(xì)胞的潛力，有望解決基因療法、癌癥藥物遞送等多重挑戰(zhàn)。
利用這一系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)還成功地在小鼠體內(nèi)將蛋白質(zhì)送入了活體小鼠的大腦中，并且發(fā)現(xiàn)沒(méi)有誘發(fā)局部免疫反應(yīng)，這也意味著這套遞送系統(tǒng)有望在將來(lái)安全地用于向人類(lèi)遞送基因療法。
《自然》同期刊發(fā)的專(zhuān)家評(píng)述指出，這套遞送系統(tǒng)是“一個(gè)令人興奮的生物技術(shù)工具箱，其可定制性為多種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用打開(kāi)了大門(mén)”。
目前，基因療法的遞送通常使用兩大類(lèi)方式：脂質(zhì)納米顆粒（LNP）或病毒載體。這兩種方式都具有各自的局限性，比如LNP通常聚集在肝臟中，常用的腺相關(guān)病毒載體載荷大小有限。這些局限性是限制基因療法廣泛用于治療肝外疾病的原因之一。
這項(xiàng)突破性遞送技術(shù)的靈感來(lái)源于大自然中的細(xì)菌。在自然界，噬菌體是一種專(zhuān)門(mén)在細(xì)菌中繁殖的病毒，它能夠識(shí)別特定種類(lèi)的細(xì)菌，然后通過(guò)與細(xì)菌表面的受體相結(jié)合，將自身的基因組像打針一樣注射到細(xì)菌體內(nèi)。而有些細(xì)菌在被噬菌體感染了之后，學(xué)會(huì)了利用這套元件，用于將自身生產(chǎn)的毒素注射到其它動(dòng)物的細(xì)胞中。比如昆蟲(chóng)致病菌發(fā)光桿菌（Photorhabdus），就會(huì)利用這套注射系統(tǒng)，將毒素注入昆蟲(chóng)細(xì)胞并將細(xì)胞殺死。
借鑒大自然的靈感歷史上已經(jīng)催生了多種突破性生物技術(shù)，比如我們熟知的CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)，就是來(lái)源于對(duì)細(xì)菌對(duì)抗病毒的“免疫系統(tǒng)”的改造。張鋒教授團(tuán)隊(duì)此前也借鑒人體細(xì)胞中天然存在的逆轉(zhuǎn)錄元件，開(kāi)發(fā)出全新的mRNA遞送技術(shù)。

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▲張鋒教授領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)最新研究（圖片來(lái)源：張鋒教授實(shí)驗(yàn)室主頁(yè)）

這一次，研究人員的目標(biāo)是將細(xì)菌中存在的注射系統(tǒng)改造成精準(zhǔn)遞送工具，識(shí)別不同種類(lèi)的人類(lèi)細(xì)胞，并且將治療蛋白注射到細(xì)胞內(nèi)。
利用人工智能平臺(tái)AlphaFold，研究人員解析了細(xì)菌中稱(chēng)為細(xì)胞外可收縮注射系統(tǒng)（eCIS）的蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)。這個(gè)復(fù)合體與我們常用的注射器有些相似，像針筒一樣的柱狀結(jié)構(gòu)攜帶著需要注射到細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)“貨物”，一端的尾部纖維能識(shí)別細(xì)胞表面的特定受體并錨定在細(xì)胞表面，然后收縮系統(tǒng)將“針頭”刺入細(xì)胞內(nèi)，遞送蛋白載荷。研究人員通過(guò)對(duì)尾部纖維的修改，可以讓它們精準(zhǔn)地靶向人類(lèi)細(xì)胞表面表達(dá)的不同蛋白。

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▲重新設(shè)計(jì)細(xì)菌的胞外可收縮注射系統(tǒng)，將其改造為專(zhuān)門(mén)靶向特定人類(lèi)細(xì)胞遞送所需蛋白質(zhì)的裝置（圖片來(lái)源：參考資料[4]）

在體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)的一種eCIS可以將殺死細(xì)胞的毒素精準(zhǔn)遞送到高度表達(dá)EGFR受體的細(xì)胞中，殺死了幾乎100%的EGFR陽(yáng)性細(xì)胞，卻沒(méi)有影響到不表達(dá)EGFR的細(xì)胞，體現(xiàn)了這一系統(tǒng)的強(qiáng)大特異性。
而且，通過(guò)對(duì)eCIS的進(jìn)一步改造，研究人員可以使用這一系統(tǒng)遞送不同類(lèi)型的蛋白載荷，他們已經(jīng)在體外實(shí)驗(yàn)中成功遞送了CRISPR基因編輯系統(tǒng)中的Cas9蛋白以及另一類(lèi)用于基因編輯的鋅指蛋白。
在小鼠的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，這種經(jīng)過(guò)改造的遞送系統(tǒng)也可以將蛋白遞送到小鼠大腦的神經(jīng)元中。佐治亞理工學(xué)院專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)LNP遞送系統(tǒng)的James Dahlman教授在接受行業(yè)媒體STAT采訪時(shí)表示，未來(lái)它可以開(kāi)發(fā)成為一套高度可編程的遞送系統(tǒng)，將不同的載荷精準(zhǔn)遞送到指定的人類(lèi)細(xì)胞中。

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▲改造的蛋白遞送系統(tǒng)在小鼠模型中完成靶向遞送（圖片來(lái)源：參考資料[3]）

“治療分子的遞送一直是醫(yī)藥領(lǐng)域的主要瓶頸，我們需要廣泛的遞送選擇來(lái)將有力的創(chuàng)新療法遞送到人體中合適的細(xì)胞里。”張鋒教授表示，“通過(guò)學(xué)習(xí)大自然中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，我們能夠開(kāi)發(fā)一種全新的技術(shù)平臺(tái)來(lái)填補(bǔ)這一空白?！?br />
參考資料：
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwMDA5NTIxNQ==&mid=2650052513&idx=1&sn=a1299545c8636265723352353c971ba7&chksm=82ee1121b5999837aa1924582f5833ccc1dec216d3d9067959a18ba0fcc02129133875407f31#rd
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5MDQzNjY2OA==&mid=2247535262&idx=1&sn=3621ae9b9587dbe9e14bda6e533969b2&chksm=ec1de9cddb6a60dbdb66649cf5479c006d58b3442aa256e0ecb30fc9a01b1bf684692631a738#rd▎藥明康德內(nèi)容團(tuán)隊(duì)編輯
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傾城雪

一個(gè)字，牛！
一句話概括就是：
他創(chuàng)造了一種可編程的微型注射器（尺寸僅為100納米），能將蛋白類(lèi)藥物甚至毒素運(yùn)送到特定的細(xì)胞中，效率接近100%。
形象地說(shuō)，它就是帶有精確制導(dǎo)系統(tǒng)的微型注射器。
自然界中有一類(lèi)細(xì)菌名為Endosymbiotic bacteria，能夠通過(guò)尾部的特殊結(jié)構(gòu)（以下成為PVC)，將細(xì)菌內(nèi)容物注射到宿主細(xì)胞內(nèi)。

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但是，這種細(xì)菌一般不能感染人類(lèi)細(xì)胞。早些年有人發(fā)現(xiàn)一個(gè)突變體能夠感染小鼠細(xì)胞，張鋒團(tuán)隊(duì)表示很感興趣。于是他們就首先分析了一下，為啥這個(gè)細(xì)菌的PVC能夠?qū)?nèi)容物注射進(jìn)宿主細(xì)胞。

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于是他們就發(fā)現(xiàn)，PVC內(nèi)部有一個(gè)管道，從尾部發(fā)出。尾部有毛狀結(jié)構(gòu)，但其實(shí)只是蛋白結(jié)構(gòu)的延伸。
比如，這個(gè)PVC尾毛就是有很多蛋白組成的，絕大多數(shù)蛋白都是保守的，不能變，只有六個(gè)左右的蛋白，改變以后不會(huì)對(duì)PVC結(jié)構(gòu)有太大影響。
他們仔細(xì)研究了尾毛蛋白整體的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)Alphafold重新設(shè)計(jì)那六個(gè)可變蛋白，神奇的事情發(fā)生了，PVC竟然能在尾毛的帶動(dòng)下去往特定的目的地。
原來(lái)，尾毛蛋白是通過(guò)三維結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的目標(biāo)蛋白通過(guò)蛋白與蛋白之間互相作用，識(shí)別。
鑒于很多細(xì)胞表面都有獨(dú)特的蛋白，那么通過(guò)Alphafold設(shè)計(jì)出能與之結(jié)合的相應(yīng)尾毛蛋白，不就能靶向遞送了？
事實(shí)確實(shí)如此。
研究中他們使用了人類(lèi)免疫T細(xì)胞，以及一種癌細(xì)胞。他們將PVC尾毛蛋白設(shè)計(jì)為能夠特異結(jié)合癌細(xì)胞表面特異的一種蛋白，然后往細(xì)菌里導(dǎo)入毒素，細(xì)菌就像收到指令一樣，直接奔向癌細(xì)胞。
他們又在小鼠模型中做了類(lèi)似實(shí)驗(yàn)，不同的是，他們將細(xì)菌設(shè)計(jì)好以后，配制成注射液，直接注入小鼠顱內(nèi)。

這項(xiàng)研究可謂目前人類(lèi)前沿科技的集大成者，并將變革現(xiàn)有的藥物遞送模式，將靶向藥的研究和應(yīng)用往前推了一大步，并且具有極其廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
比如，攻克癌癥，制作將包含毒素的細(xì)菌，設(shè)計(jì)能定位癌細(xì)胞的尾毛蛋白，定向殺死癌細(xì)胞。
比如，精確的基因編輯。將堿基編輯器送入目標(biāo)細(xì)胞。
比如，糖尿病。晚期糖尿病必須注射胰島素，如果有了新的細(xì)菌，那么PVC會(huì)把胰島刺激物質(zhì)帶入胰臟促進(jìn)胰島細(xì)胞再生。
不過(guò)，目前來(lái)說(shuō)，要解決的問(wèn)題還有不少。雖然該細(xì)菌主要感染昆蟲(chóng)，但PVC會(huì)不會(huì)引起人類(lèi)的免疫反應(yīng)？
目前遞送的蛋白最大為200kd左右，且一次只能遞送一種。比如CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)有Cas9和sgRNA兩種組成，但該細(xì)菌目前并不能同時(shí)遞送，無(wú)法實(shí)現(xiàn)基因編輯。
有人說(shuō)，它不就跟噬菌體一樣嘛？
其實(shí)大不一樣。
噬菌體作為病毒，注入的是RNA或RNA片段，且噬菌體暫時(shí)還為體現(xiàn)出可被重編程，以特異地靶向特定目標(biāo)的能力。
但細(xì)菌PVC不一樣，它能被編程，被設(shè)計(jì)，而且是通過(guò)經(jīng)典的蛋白與蛋白相互作用進(jìn)行特異性結(jié)合。
如果說(shuō)CISPR-Cas9基因編輯技術(shù)是"基因魔剪"，那PVC可謂"神之注射器"（尺寸僅為100nm）。
另外，本文的第一作者是一位MIT生物工程系的在讀博士。