3月30日，基因编辑领域先驱张锋教授团队在顶尖学术期刊《自然》上发表最新研究 Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system。该研究报告了一种全新的蛋白递送系统，它具有将任何蛋白精准递送到任何指定人类细胞的潜力，未来有望作为人类基因疗法和癌症疗法的安全有效的递送工具。而这项突破性递送技术的灵感来自于大自然中看起来不起眼的细菌。在自然界，噬菌体是一种专门在细菌中繁殖的病毒，它能够识别特定种类的细菌，然后通过与细菌表面的受体相结合，将自身的基因组像打针一样注射到细菌体内。而有些细菌在被噬菌体感染了之后，演化出这种递送系统，利用这套系统将自身生产的毒素注射到宿主细胞中，以帮助调整周围环境的生物学并提高其存活率。比如昆虫致病菌发光杆菌（Photorhabdus），就会利用这套注射系统，将毒素注入昆虫细胞并将细胞杀死。这些细菌所具有的这套注射结构被称为胞外可收缩注射系统（eCIS）。这是一种类似于注射器的大分子复合物，通过驱动一个“针头”结构穿透细胞膜，然后将携带的蛋白质注射到细胞里。目前，经证实的eCIS系统包括了沙雷氏菌（Serratia）中的AFP系统、发光杆菌（Photorhabdus）中的PVC系统和假交替单胞菌（Pseudoalteromonas）中的MAC系统三种，并且都来自于来自革兰氏阴性菌。这套细菌自带的系统让科学家们长期困扰的一个问题有了新的解决灵感：如何以精准、高效的方法将治疗性的分子递送到特定类型的人类细胞中去。如果能够将特定的蛋白质输送到特定的细胞类型中，将为生命科学研究以及疾病治疗提供巨大的潜力。在这项最新研究中，研究人员的目标是将细菌中存在的注射系统改造成精准递送工具，识别不同种类的人类细胞，并且将治疗蛋白注射到细胞内。如果想要将eCIS开发为靶向递送系统，就要先阐明eCIS识别靶细胞的机制。研究团队首先选定了eCIS的一个亚型——Photorhabdus virulence cassette（PVC）。利用人工智能平台AlphaFold，研究人员解析了eCIS的蛋白复合体的结构。这个复合体与我们常用的注射器有些相似，像针筒一样的管状结构，携带着需要注射到细胞内的蛋白质“货物”，收缩该管，通过细胞膜驱动管末端的尖峰，这使得管内的蛋白质可以进入细胞。在 eCIS 的一端外侧是尾纤维，它们能识别细胞表面的特定受体并锚定在细胞表面。根据发光杆菌eCIS的结构组成，其一端外侧的尾部纤维能识别细胞表面的特定受体并锚定在宿主细胞上，因此研究人员猜测，修改这些尾部纤维的结构，可以使其学会识别不同的细胞。先前的研究表明，eCIS可以自然地靶向昆虫和小鼠细胞，该研究团队认为有可能通过重新设计尾部纤维以结合不同的受体来修饰它们以将蛋白质递送到人体细胞。于是，研究团队重新设计了发光杆菌（Photorhabdus）的注射器。通过对尾部纤维的修改，以让它们能够精准地靶向人类细胞表面表达的不同蛋白。研究人员设计的一种eCIS，可以将能杀死细胞的毒素精准递送到高度表达EGFR受体的癌细胞。接下来，研究人员设计了体外细胞培养实验，以测试改造后的 eCIS 是否可以靶向人类细胞，实验结果表明，改造后的 eCIS杀死了几乎100%的EGFR阳性细胞，却没有影响到不表达EGFR的细胞。这些结果表明，这一系统具有强大的靶标特异性，通过修饰，从而实现靶向特定的细胞系。同时，研究人员通过重新设计发光杆菌eCIS的另一部分，研究显示，eCIS还能根据需要让它们装载不同的蛋白质，包括基因编辑系统的核酸酶Cas9、锌指脱氨酶（ZFD）以及细胞毒素等不同的效应元件，前两者分别实现对靶细胞DNA的基因编辑和不依赖RNA的基因编辑，后者则可以靶向清除癌细胞、衰老细胞等有害细胞。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，并且发现没有诱发任何显著的免疫细胞激活、炎症细胞因子产生、体重损失或细胞毒性。这表明PVC治疗在实验过程中没有产生免疫原性或毒性，这也意味着这套递送系统有望在将来安全地用于向人类递送基因疗法。总的来说，这些结果表明，eCIS系统经过改造后可以在细胞和体内靶向递送蛋白质，并在基因编辑、癌症治疗和临床靶向递送等领域展现出广阔的应用前景，未来可能成为许多生物疗法的关键递送工具。佐治亚理工学院专注于开发LNP递送系统的James Dahlman教授在接受行业媒体STAT采访时表示，未来它可以开发成为一套高度可编程的递送系统，将不同的载荷精准递送到指定的人类细胞中。这项研究的第一作者Joseph Kreitz博士认为，eCIS系统还有很多待挖掘的潜力，例如未来可以通过重新设计其他组件，以调整其他属性，或递送其他类型的分子，如DNA或RNA。《自然》同期刊发的专家评述指出，这套递送系统是“一个令人兴奋的生物技术工具箱，其可定制性为多种生物医学应用打开了大门”。