病毒已經(jīng)發(fā)展成為將基因傳遞到細(xì)胞中的高效載體。為了利用這些特性，科學(xué)家們可以將病毒重新編程為載體，能夠?qū)⑵溥x擇的基因載體運(yùn)送到體內(nèi)細(xì)胞核中。這些載體已成為傳遞基因以治療疾病或用熒光顏色標(biāo)記神經(jīng)元及其結(jié)締纖維以繪制其位置的關(guān)鍵工具。因?yàn)椴《据d體已被剝奪了它們自己的基因，從而剝奪了它們的復(fù)制能力，它們不再具有傳染性。因此，用載體實(shí)現(xiàn)廣泛的基因遞送是具有挑戰(zhàn)性的。尤其是基因傳遞到難以到達(dá)的器官，如大腦，病毒載體必須通過(guò)所謂的血腦屏障，
現(xiàn)在，為了在整個(gè)中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)廣泛的基因傳遞，加州理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了兩種基于腺相關(guān)病毒(AAV)的載體新變種：一種可以有效地將遺傳物質(zhì)運(yùn)送到血腦屏障的載體; 另一種被駐留在大腦和脊髓外的外周神經(jīng)元有效地吸收，例如那些感知疼痛和調(diào)節(jié)心率，呼吸和消化的神經(jīng)元。在簡(jiǎn)單注入血流后，兩種載體都能夠達(dá)到它們的目標(biāo)。載體是可定制的，可以用作基因療法的一部分，用于治療影響整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)退行性疾病，如亨廷頓病，或幫助繪制或調(diào)節(jié)神經(jīng)元回路并了解它們?cè)诩膊∑陂g如何變化。
這項(xiàng)工作是在Viviana Gradinaru實(shí)驗(yàn)室，生物學(xué)和生物工程助理教授，遺傳醫(yī)學(xué)研究所研究員，天橋分子和細(xì)胞神經(jīng)科學(xué)中心主任和加州理工學(xué)院Chrissy Chen神經(jīng)科學(xué)研究所主任，以及首席研究員。貝克曼研究所的CLOVER(CLARITY，Optogenetics和Vector Engineering Research)中心。
一篇描述該研究的論文發(fā)表在6月26日出版的“ 自然神經(jīng)科學(xué) ” 雜志上。
“我們現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了一系列新的病毒和工具來(lái)研究中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)，”Gradinaru說(shuō)。“我們現(xiàn)在能夠通過(guò)低劑量全身注射，在難以到達(dá)的區(qū)域接近神經(jīng)元，并精確標(biāo)記具有多種熒光顏色的細(xì)胞來(lái)研究它們的形狀和連接，從而獲得高效的全腦傳遞。”
Gradinaru和她的團(tuán)隊(duì)修改了2016年開(kāi)發(fā)的AAV的外表面，設(shè)計(jì)了病毒的殼或衣殼，使其能夠在靜脈注射后更有效地將基因傳遞給大腦和脊髓中的細(xì)胞。他們將新病毒命名為AAV-PHP.eB。
該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種額外的衣殼變體，他們稱之為AAV-PHP.S，它能夠轉(zhuǎn)導(dǎo)外周神經(jīng)元。
“中樞神經(jīng)系統(tǒng)之外的神經(jīng)元具有許多功能，從傳遞感覺(jué)信息到控制器官功能，但其中一些外圍神經(jīng)回路尚未被充分了解，”貝克曼研究所CLOVER中心高級(jí)研究科學(xué)家兼主任Ben Deverman說(shuō)。 。“我們開(kāi)發(fā)的AAV-PHP.S載體可以幫助研究人員利用遺傳編碼的傳感器和工具研究外圍電路中特定類型神經(jīng)元的活動(dòng)和功能，分別用光或設(shè)計(jì)藥物調(diào)節(jié)神經(jīng)元放電。”
新的AAV載體還可以提供編碼彩色熒光蛋白的基因; 這些蛋白質(zhì)可用于鑒定和標(biāo)記細(xì)胞。在這個(gè)過(guò)程中，多個(gè)AAV(每個(gè)都帶有不同的顏色)混合在一起并注入血液中。當(dāng)它們到達(dá)目標(biāo)神經(jīng)元時(shí)，每個(gè)神經(jīng)元都會(huì)獲得獨(dú)特的顏色組合，從而賦予它視覺(jué)上不同的色調(diào)，使研究人員更容易將其細(xì)節(jié)與其鄰居的細(xì)節(jié)區(qū)分開(kāi)來(lái)。此外，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種技術(shù)來(lái)控制標(biāo)記的神經(jīng)元數(shù)量 - 標(biāo)記過(guò)多的神經(jīng)元使得無(wú)法區(qū)分單個(gè)神經(jīng)元 - 這使得研究人員可以使用另一種技術(shù)Gradinaru可視化各個(gè)神經(jīng)元的形狀并通過(guò)完整的組織追蹤它們的連接纖維。實(shí)驗(yàn)室?guī)椭l(fā)展，
“通常，當(dāng)研究人員希望小鼠或其他動(dòng)物模型在某些細(xì)胞中表達(dá)熒光蛋白時(shí)，他們需要開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，這些動(dòng)物可能需要數(shù)月甚至數(shù)年來(lái)制作和表征，”前研究生和第一作者肯陳(博士)說(shuō)。 '17)。“現(xiàn)在只需一次注射，我們就可以在注射后的幾周內(nèi)標(biāo)記出各種顏色的特定細(xì)胞。”
“對(duì)于我們新的全身病毒載體 - AAV PHP.S和AAV PHP.eB--有許多潛在的用途，從外圍的繪圖電路和基因調(diào)控元件的快速篩選到使用CRISPR-Cas9等強(qiáng)大工具進(jìn)行基因組編輯，“格拉迪納魯說(shuō)。“但也許最激動(dòng)人心的暗示是，我們的工具與適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)調(diào)節(jié)基因配對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)非侵入性深部大腦調(diào)節(jié)，用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如帕金森病。”