血脑屏障（BBB）是一个严格的、几乎无法穿透的细胞层，它守护着大脑，保护这个重要的器官不受血液中毒素或细菌等危害，只允许非常有限的小分子，如营养物质通过。然而，这层保护层使研究人员难以研究大脑，也难以设计出能够治疗大脑疾病的药物。

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现在，加州理工学院的一项新研究发现了一种以前未知的机制，某些病毒载体--设计成携带各种所需货物的蛋白质外壳--可以穿过BBB。这一机制的洞察力可能为设计用于研究和治疗的病毒载体提供一种新方法。了解这一机制和其他新机制还可以深入了解大脑的防御系统如何被新出现的病原体所利用，使研究人员能够准备好阻止它们的方法。

及时发现推定BBB转运体的方法：（1）定向进化产生了具有增强大脑效力的多样化AAVs。(2) 识别出BBB特异性膜蛋白，并在体外对其提高AAV效力的能力进行筛选。(3）计算方法使高通量目标筛选和新型病毒、蛋白质和化学工具的反向工程成为可能。资料来源：加州理工学院的蒂姆-谢伊和格拉迪纳鲁实验室

这项研究是在Viviana Gradinaru（加州理工学院05级学士）的实验室进行的，她是Lois和Victor Troendle神经科学和生物工程教授以及分子和细胞神经科学中心的主任，该中心是加州理工学院天桥和Chrissy Chen神经科学研究所的一部分，研究报告于4月19日发表在《科学进展》杂志上。该研究的第一作者是加州理工学院贝克曼研究所CLOVER中心的科学主任Timothy Shay（15岁博士）；生物工程研究生Xiaozhe Ding（23岁博士）；以及CLOVER研究助理Erin Sullivan。

尽管BBB是大脑的强大防线，但某些病毒已经自然进化出绕过它的能力。几十年来，研究人员一直在研究如何利用这些病毒作为一种跨越BBB的特洛伊木马；为此，研究人员刮出病毒携带的原始病毒基因，然后利用它们的空壳来运送有益的治疗药物或研究工具。具有穿越BBB能力的病毒载体可以通过简单的血液注射将所需基因送入大脑，因此不需要在大脑中进行侵入性注射。不幸的是，大多数来自自然进化的病毒的载体穿越BBB的效率非常低，因此必须以高剂量给药，增加了副作用的风险。

碳酸酐酶IV（CA-IV）能够增强从血流进入大脑的能力。CA-IV蛋白在小鼠血脑屏障（BBB）上表达的荧光图像和AlphaFold2生成的CA-IV与穿越BBB病毒载体的工程环结合的结构模型。资料来源：Erin Sullivan和Xiaozhe Ding，加州理工学院Gradinaru实验室

在自然界的启发下，Gradinaru实验室在过去十年中使用了定向进化过程--一种由诺贝尔奖获得者Frances Arnold在加州理工学院开创的技术--来指导载体的进化并增强它们穿越BBB的能力。多年来，该小组已经产生了几十个具有不同能力的载体，以穿越BBB并针对各种组织和细胞类型，在各种物种中。在这个过程中，他们注意到不同的载体在不同的模型生物体中会有不同的表现，这表明这些载体可能各自确定了从血液到大脑的不同和有效的路径。

然而，尽管研究人员知道这些载体可以穿越，但仍不清楚它们是如何穿越的。坚固的BBB墙的进入点在哪里？

在这项新的研究中，由Shay、Sullivan和Ding领导的团队旨在使用一种多学科的方法来确定这些机制，该方法结合了研究人员在蛋白质化学、分子生物学和数据科学等技术方面的专长。首先，Shay和Sullivan开发了一种细胞培养筛，以快速测试在BBB表面发现的几十种不同的蛋白质在盘中增强载体感染性的能力。然后，Ding使用一个先进的计算模型（基于一个名为AlphaFold的复杂的人工智能程序）来模拟载体如何与不同的蛋白质相互作用，揭示了屏幕中发现的相互作用的几何形状。接下来，一种"疯狂三月"的竞争过程--这是一篇即将发表的论文的主题--决定了哪些载体与哪些蛋白质的相互作用最好，并重现了屏幕的实验结果。

经设计的AAVs可从血液中到达大脑

经过设计的AAVs可以从血液中到达大脑，使人们对血脑屏障生物学有了更深入的了解，包括识别新的受体，这可以帮助设计下一代用于大脑的病毒和非病毒传递载体，也许还可以预测和对抗新出现的病原体。资料来源：Catherine Oikonomou和Viviana Gradinaru，加州理工学院

该团队发现了一种特殊的酶，称为碳酸酐酶IV（CA-IV），它使一些不同的病毒载体能够穿过BBB。有趣的是，CA-IV是一种古老的酶，在包括人类在内的许多不同物种的BBB上都有发现；以前并不知道它能促进任何形式的BBB穿越过程。在未来，这种结合了实验和计算的方法可能会加速发现更多的解决BBB穿越问题的方法，而且该团队对将这些分子门路应用于脑部治疗药物的输送的可能性感到兴奋。

"血脑屏障穿越是一个关键的生物学难题，"Gradinaru说。"说一种调节血液pH值并让我们品尝苏打水中的汽水的酶是帮助病毒通过BBB的一个非直观的目标将是一种轻描淡写的说法。现在我们可以利用CA-IV，以及从我们根植于识别穿越BBB的病毒载体机制的方法中继续出现的其他令人兴奋的目标，来帮助我们设计用于大脑的下一代病毒和非病毒传递载体。也许，它还将帮助我们建立起对可能劫持相同的大脑进入途径的新出现的病原体的复原力。"

了解病毒载体进入大脑的一系列机制，对实现不同人群的个性化治疗至关重要。大脑和它们的BBB在不同的物种之间，甚至在人类之间都有很大的差异。事实上，一个人的BBB可以在他们自己的一生中变化。通过揭示新的BBB穿越机制，可以为具有不同生物特征的个人定制更广泛的神经药物输送方案。

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