血腦屏障（BBB）是一個嚴格的、幾乎無法穿透的細胞層，它守護著大腦，保護這個重要的器官不受血液中毒素或細菌等危害，只允許非常有限的小分子，如營養物質通過。然而，這層保護層使研究人員難以研究大腦，也難以設計出能夠治療大腦疾病的藥物。

現在，加州理工學院的一項新研究發現了一種以前未知的機制，某些病毒載體–設計成攜帶各種所需貨物的蛋白質外殼–可以穿過BBB。這一機制的洞察力可能為設計用於研究和治療的病毒載體提供一種新方法。了解這一機制和其他新機制還可以深入了解大腦的防禦系統如何被新出現的病原體所利用，使研究人員能夠準備好阻止它們的方法。

及時發現推定BBB轉運體的方法：（1）定向進化產生了具有增強大腦效力的多樣化AAVs。(2) 識別出BBB特異性膜蛋白，並在體外對其提高AAV效力的能力進行篩選。(3）計算方法使高通量目標篩选和新型病毒、蛋白質和化學工具的反向工程成為可能。資料來源：加州理工學院的蒂姆-謝伊和格拉迪納魯實驗室

這項研究是在Viviana Gradinaru（加州理工學院05級學士）的實驗室進行的，她是Lois和Victor Troendle神經科學和生物工程教授以及分子和細胞神經科學中心的主任，該中心是加州理工學院天橋和Chrissy Chen神經科學研究所的一部分，研究報告於4月19日發表在《科學進展》雜誌上。該研究的第一作者是加州理工學院貝克曼研究所CLOVER中心的科學主任Timothy Shay（15歲博士）；生物工程研究生Xiaozhe Ding（23歲博士）；以及CLOVER研究助理Erin Sullivan。

儘管BBB是大腦的強大防線，但某些病毒已經自然進化出繞過它的能力。幾十年來，研究人員一直在研究如何利用這些病毒作為一種跨越BBB的特洛伊木馬；為此，研究人員刮出病毒攜帶的原始病毒基因，然後利用它們的空殼來運送有益的治療藥物或研究工具。具有穿越BBB能力的病毒載體可以通過簡單的血液注射將所需基因送入大腦，因此不需要在大腦中進行侵入性注射。不幸的是，大多數來自自然進化的病毒的載體穿越BBB的效率非常低，因此必須以高劑量給藥，增加了副作用的風險。

碳酸酐酶IV（CA-IV）能夠增強從血流進入大腦的能力。CA-IV蛋白在小鼠血腦屏障（BBB）上表達的熒光圖像和AlphaFold2生成的CA-IV與穿越BBB病毒載體的工程環結合的結構模型。資料來源：Erin Sullivan和Xiaozhe Ding，加州理工學院Gradinaru實驗室

在自然界的啟發下，Gradinaru實驗室在過去十年中使用了定向進化過程–一種由諾貝爾獎獲得者Frances Arnold在加州理工學院開創的技術–來指導載體的進化並增強它們穿越BBB的能力。多年來，該小組已經產生了幾十個具有不同能力的載體，以穿越BBB並針對各種組織和細胞類型，在各種物種中。在這個過程中，他們注意到不同的載體在不同的模型生物體中會有不同的表現，這表明這些載體可能各自確定了從血液到大腦的不同和有效的路徑。

然而，儘管研究人員知道這些載體可以穿越，但仍不清楚它們是如何穿越的。堅固的BBB牆的進入點在哪裡？

在這項新的研究中，由Shay、Sullivan和Ding領導的團隊旨在使用一種多學科的方法來確定這些機制，該方法結合了研究人員在蛋白質化學、分子生物學和數據科學等技術方面的專長。首先，Shay和Sullivan開發了一種細胞培養篩，以快速測試在BBB表面發現的幾十種不同的蛋白質在盤中增強載體感染性的能力。然後，Ding使用一個先進的計算模型（基於一個名為AlphaFold的複雜的人工智能程序）來模擬載體如何與不同的蛋白質相互作用，揭示了屏幕中發現的相互作用的幾何形狀。接下來，一種”瘋狂三月”的競爭過程–這是一篇即將發表的論文的主題–決定了哪些載體與哪些蛋白質的相互作用最好，並重現了屏幕的實驗結果。

經設計的AAVs可從血液中到達大腦

 經過設計的AAVs可以從血液中到達大腦，使人們對血腦屏障生物學有了更深入的了解，包括識別新的受體，這可以幫助設計下一代用於大腦的病毒和非病毒傳遞載體，也許還可以預測和對抗新出現的病原體。資料來源：Catherine Oikonomou和Viviana Gradinaru，加州理工學院

該團隊發現了一種特殊的酶，稱為碳酸酐酶IV（CA-IV），它使一些不同的病毒載體能夠穿過BBB。有趣的是，CA-IV是一種古老的酶，在包括人類在內的許多不同物種的BBB上都有發現；以前並不知道它能促進任何形式的BBB穿越過程。在未來，這種結合了實驗和計算的方法可能會加速發現更多的解決BBB穿越問題的方法，而且該團隊對將這些分子門路應用於腦部治療藥物的輸送的可能性感到興奮。

“血腦屏障穿越是一個關鍵的生物學難題，”Gradinaru說。”說一種調節血液pH值並讓我們品嚐蘇打水中的汽水的酶是幫助病毒通過BBB的一個非直觀的目標將是一種輕描淡寫的說法。現在我們可以利用CA-IV，以及從我們根植於識別穿越BBB的病毒載體機制的方法中繼續出現的其他令人興奮的目標，來幫助我們設計用於大腦的下一代病毒和非病毒傳遞載體。也許，它還將幫助我們建立起對可能劫持相同的大腦進入途徑的新出現的病原體的複原力。”

了解病毒載體進入大腦的一系列機制，對實現不同人群的個性化治療至關重要。大腦和它們的BBB在不同的物種之間，甚至在人類之間都有很大的差異。事實上，一個人的BBB可以在他們自己的一生中變化。通過揭示新的BBB穿越機制，可以為具有不同生物特徵的個人定制更廣泛的神經藥物輸送方案。