靶向转铁蛋白受体将反义寡核苷酸输送穿过哺乳动物血脑屏障

2024-08-22 Thu
引言近年来，以寡核苷酸（oligonucleotide）为基础的治疗技术，如反义寡核苷酸（ASOs）和小干扰RNA（siRNAs），在各种神经疾病的治疗中得到了广泛应用。其应用的基础是这些技术可以选择性地调控目标RNA分子，这些目标通常很难通过其他治疗方式进行调控。特别是在2016年Nusinersen被批准用于治疗脊髓性肌萎缩症后，ASOs在中枢神经系统（CNS）疾病中的潜力得到了进一步的关注和研究。然而，寡核苷酸由于其固有的生物物理特性，如大分子量、带电性和骨架化学性质，很难穿透血脑屏障（BBB），这使得它们需要通过鞘内注射直接递送到脑脊液（CSF）中来影响CNS。这种递送方式存在诸多限制，如药物在大脑深层区域的分布不均，以及可能出现的与鞘内注射相关的不良事件。因此，寻找高效且安全的递送方式成为了亟待解决的问题。
研究背景与来源这篇题为《Targeting the Transferrin Receptor to Transport Antisense Oligonucleotides Across the Mammalian Blood-Brain Barrier》的研究论文由Scarlett J. Barker及其团队撰写，研究由Denali Therapeutics Inc.和Ionis Pharmaceuticals两家公司合作完成。该论文于2024年8月14日发表于《Science Translational Medicine》期刊中。本研究旨在开发一种基于转铁蛋白受体1（TfR1）的递送平台，通过系统性注射方式将ASOs运输至哺乳动物的大脑，突破现有技术的限制。
研究方法实验设计与研究对象本研究首先通过工程化TfR1结合分子，命名为寡核苷酸运输载体（OTV），来测试其在TfR1基因编辑鼠（Tfr1mu/hu KI mice）和非人灵长类动物中的生物分布和RNA降解效果。作者通过以下几步详细描述了研究流程：
1. OTV分子的制作与特性研究团队利用CHO细胞系表达并纯化了含有工程化Fc结构域的OTV分子，这一结构域能够特异性结合TfR1，同时不影响正常的转铁蛋白结合。随后，团队通过化学合成手段，将目标ASO与OTV进行稳定的位点特异性结合，并对产物的纯度和结合比例进行了质谱和凝胶过滤色谱分析。
2. 细胞内吸收与运输实验研究人员通过体外实验验证了OTV在细胞内的吸收和分布，其中包括了对HTFR1表达细胞的结合实验，使用表面等离子体共振（SPR）技术测定了OTV与HTFR1的亲和力。此外，通过共焦显微镜对双标记的OTV在神经细胞中的分布进行了详细观察，证实OTV能够被细胞吸收并主要定位于晚期内体和溶酶体。
3. 动物实验在小鼠和非人灵长类动物中，研究团队通过系统性静脉注射OTV并采集各组织样本，测定ASO在脑部和外周组织中的浓度及对目标RNA（MALAT1）的降解效果。特别是在小鼠中，应用了RNA单核测序技术对各个脑细胞类型中的MALAT1水平进行了详细分析。
研究结果1. OTV构建与结合特性实验表明，经过位点特异性结合的OTV分子在保持TfR1高亲和力的同时，不影响ASO的结合和功能。这一性质确保了OTV能够高效穿越血脑屏障并释放ASO。
2. 细胞内分布与吞噬实验细胞实验结果显示，OTV能够被细胞高效吸收，并主要定位于内体和溶酶体中。与裸ASO相比，OTV分子的亚细胞分布没有显著变化，这表明OTV能够有效携带ASO并提升其在细胞内的稳定性。
3. 在体效果在小鼠模型中，系统性注射的OTV能够显著提高ASO在脑部和外周组织中的浓度，特别是在大脑深层结构和肌肉组织中，OTV表现出了更好的MALAT1 RNA降解效果。单核测序结果显示，OTV在所有主要脑细胞类型中的MALAT1水平都有显著降低，表明OTV能够广泛分布并发挥作用。
在非人灵长类动物中，系统性注射OTV实现了更均匀的ASO生物分布，相比鞘内注射，OTV更有效地递送ASO至大脑深层区域，减少了药物在注射部位的高浓度积累和相关副作用。
结论与意义研究的新颖性与价值通过本研究，作者提出了一种基于TfR1的全新ASO递送平台OTV，这一方法不仅突破了传统递送方式的局限性，实现了ASO跨血脑屏障的高效递送，还显著提升了药物在CNS和其他难以到达的外周组织中的分布和作用效果。考虑到ASO在基因治疗中的潜在应用，OTV平台在未来有望用于治疗多种神经退行性疾病和外周神经疾病，开辟了ASO治疗的新途径。
这篇研究不仅具有重要的科学价值，也为ASO药物的临床应用提供了新的思路和技术支持，有望大幅提高现有基因疗法的疗效和安全性，为相关疾病患者带来新的希望和治疗选择。