创新背景

基因治疗是一种强大的发展技术，有可能解决无数疾病。例如，亨廷顿舞蹈症是一种神经退行性疾病，是由单个基因的突变引起的，如果研究人员可以进入特定的细胞并纠正该缺陷，理论上这些细胞可以恢复正常功能。

然而，一个主要的挑战是创造正确的“递送载体”，可以将基因和分子携带到需要治疗的细胞中，同时避免不需要治疗的细胞。

创新过程

由加州理工学院研究人员领导的一个团队开发了一种基因递送系统，可以特异性地靶向脑细胞，同时避开肝脏。这很重要，因为旨在治疗大脑疾病的基因疗法也可能具有在肝脏中产生有毒免疫反应的副作用，因此希望找到仅到达其预期目标的递送载体。

这项技术的关键是使用腺相关病毒(AAV)，这种病毒长期以来被认为是很有希望被使用的运载工具。在数百万年的进化过程中，病毒进化出了进入人类细胞的有效方法。几十年来，研究人员一直在研究如何利用病毒的特洛伊木马般的能力造福人类。

AAV衣壳的多个位点被设计为获得大脑特异性，同时在体内选择后被靶向远离小鼠肝脏。在左边，AAV衣壳和单体上的工程位点以紫色和绿色描绘，而在右边的转基因表达（以绿色显示）描绘在小鼠的大脑和肝脏中。比例尺为2毫米。

AAV由两个主要成分组成：由蛋白质构成的外壳，称为衣壳；以及包裹在衣壳内的遗传物质。为了使用重组AAV进行基因治疗，研究人员从衣壳中去除病毒的遗传物质，并用所需的货物代替它，例如特定的基因或小治疗分子的编码信息。

重组AAV被剥夺了复制能力，便可在生物学上设计用于进入细胞。研究人员可以利用这种自然生物学来衍生出用于神经科学研究和基因治疗的专用工具。

衣壳的形状和组成是AAV如何进入细胞的关键部分。研究人员近十年来一直致力于设计AAV衣壳，使其能够穿过血脑屏障(BBB)，并开发出选择和对抗某些特征的方法，从而产生针对大脑中某些细胞类型的病毒载体。

在新的研究中，研究小组开发了血脑屏障交叉衣壳，其中一种是AAV。CAP-B1能够有效地进入脑细胞，特别是神经元，同时避开包括肝细胞在内的许多系统性目标。重要的是，神经元特异性和肝脏靶向性降低不仅发生在普通研究动物小鼠身上，也发生在实验室狨猴身上。

在使用工程衣壳AAV全身分娩后，在狨猴的大脑区域显示出广泛而强大的转基因表达。

有了这些新的衣壳，研究团队现在可以在啮齿动物和绒猴身上测试多种基因治疗策略，并建立必要的证据，将这些策略应用于临床。研究人员能够设计AAV衣壳的重要特征是神经元的趋向性和肝脏靶向性的降低，这或许可以制作成更安全、更有效的大脑疾病治疗方案。

AAV衣壳变体在非人灵长类动物中效果良好，这是将该技术应用于人类的重要一步，因为之前的AAV衣壳变体在非人灵长类动物中均未成功。Gradinaru实验室的系统体内方法使用了一种称为定向进化的过程，在多个位点修饰AAV衣壳，已经成功地产生了可以跨越不同小鼠品系的血脑腺的变体。

创新关键点

这项技术的关键是使用腺相关病毒(AAV)，这种病毒长期以来被认为是很有希望被使用的运载工具。在新的研究中，研究小组开发了血脑屏障交叉衣壳，其中一种是AAV。CAP-B1能够有效地进入脑细胞，特别是神经元，同时避开包括肝细胞在内的许多系统性目标。

创新价值

这项研究的结果表明，在AAV衣壳表面的多个位置引入多样性可以提高转基因表达效率和神经元特异性。AAV工程赋予了新的取向和组织特异性的力量，拓宽了潜在的研究和临床前应用，可能为大脑疾病提供新的治疗方法。

Innovative development of "gene delivery systems" specifically targeting brain cells

A team led by Caltech researchers has developed a gene delivery system that specifically targets brain cells while avoiding the liver. This is important because gene therapies designed to treat brain diseases can also have the side effect of creating toxic immune responses in the liver, so the hope is to find delivery vectors that only reach their intended targets.

Key to the technology is the use of adeno-associated viruses (AAV), which have long been considered a promising delivery vehicle. Over millions of years of evolution, viruses have evolved efficient ways to enter human cells. For decades, researchers have been studying how to harness the Trojan horse powers of viruses for the benefit of humans.

AAV is made up of two main components: a protein shell, called a capsid; And the genetic material encased in the capsid. To use recombinant AAV for gene therapy, researchers remove the genetic material of the virus from the capsid and replace it with a desired cargo, such as encoding information for specific genes or small therapeutic molecules.

Recombinant AAV, deprived of its ability to replicate, can be biologically engineered to enter cells. Researchers can use this natural biology to generate specialized tools for neuroscience research and gene therapy.

The shape and composition of the capsid is a key part of how AAV enters the cell. Researchers have been working for nearly a decade to design AAV capsids so that they can cross the blood-brain barrier (BBB) and to develop ways to select for and combat certain features to produce viral vectors that target certain cell types in the brain.

In the new study, the team developed BBB cross-capsids, one of which is AAV. CAP-B1 is able to efficiently enter brain cells, particularly neurons, while avoiding many systemic targets, including hepatocytes. Importantly, reduced neuronal specificity and liver targeting occurred not only in mice, a common study animal, but also in laboratory marmosets.

With these new capsids, research teams can now test multiple gene therapy strategies in rodents and marmosets and build the evidence necessary to move these strategies to the clinic. The key features of the AAV capsid that researchers were able to engineer are reduced neuronal tropism and liver targeting, which may lead to safer and more effective treatments for brain diseases.

The AAV capsid variant worked well in nonhuman primates, which is an important step toward applying the technique to humans, as previous AAV capsid variants have not been successful in nonhuman primates. The Gradinaru lab's systems-in-vivo approach, which uses a process called directed evolution to modify AAV capsids at multiple sites, has been successful in producing variants that can span blood-brain glands across different mouse strains.