小布tips | 最全rAAV跨血脑屏障血清型合集

发布时间：2024-11-08 16:05:43

基于Cre重组的AAV靶向进化（CREATE）是一种创新的基因工程技术，旨在通过定向进化的方法改进腺相关病毒（AAV）的衣壳，使其能够更有效地转导特定的细胞类型或组织。这种方法的作用和意义包括：提高AAV转导效率，更高效地将基因传递到特定细胞群体中；开发出具有更高的组织或细胞类型特异性的AAV，减少对非目标细胞的转导，从而降低潜在的副作用；开发能够穿越生物屏障的AAV变体，为基因治疗提供可能，例如，血脑屏障；通过改进AAV衣壳，CREATE技术有助于推动基因治疗领域的发展，为目前难以治疗的疾病提供新的治疗策略。

图1 基于Cre重组的AAV靶向进化（CREATE）筛选流程

AAV-PHP.B

2016年2月1日，美国加州理工学院 Viviana Gradinaru 团队在Nature Biotechnology上发表题为“Cre-dependent selection yields AAV variants for widespread gene transfer to the adult brain”的研究论文，研究人员通过应用CREATE技术，成功开发出一种新型腺相关病毒（AAV）变体，名为AAV-PHP.B。通过静脉注射成年小鼠体内，AAV-PHP.B能高效地穿透血脑屏障并广泛转导至中枢神经系统。通过尾静脉注射，研究人员将AAV-PHP.B携带绿色荧光蛋白（GFP）基因的病毒变体注入小鼠体内，该病毒能够特异性地进入并感染脑部的神经元。实验观察到，AAV-PHP.B在中枢神经系统（CNS）中的转导效率显著高于作为对照的AAV-9病毒，而且能够有效地转导CNS中的多种细胞类型，包括星形胶质细胞、少突胶质细胞和神经元。与AAV-9相比，AAV-PHP.B的感染效率提升了至少40倍，这表明其在基因传递至CNS方面具有显著的优势。

图2 AAV-PHP.B介导了成年小鼠静脉注射后在CNS基因传递

尾静脉注射后三周，研究人员在大脑皮层、纹状体、脊髓、视网膜以及丘脑和小脑等CNS区域检测到绿色荧光蛋白（GFP）的强烈表达。与AAV9相比，AAV-PHP.B在胰腺和肾上腺的转导效率降低，而在肝脏、心脏、肌肉和肾脏中的表达则与AAV9相当，显示出无差异的转导特性。

图3 AAV-PHP.B介导了成年小鼠静脉注射后在外周组织基因传递

AAV-PHP.eB和AAV-PHP.S

2017年6月26日，Viviana Gradinaru团队在Nature Neuroscience上发表题为“Engineered AAVs for efficient noninvasive gene delivery to the central and peripheral nervous systems”的研究论文，文章描述了两种新型腺相关病毒（AAV）衣壳变体AAV-PHP.eB和AAV-PHP.S，它们分别用于高效转导中枢神经系统（CNS）和周围神经系统（PNS）。研究人员使用CREATE技术，通过两轮体内筛选，从AAV-PHP.B和AAV9亲本衣壳中演化出这两种新的衣壳变体。AAV-PHP.eB在成年小鼠的CNS中通过静脉注射1 × 10^11vg病毒总量，能够转导69%的皮层神经元和55%的纹状体神经元。与AAV-PHP.B相比，AAV-PHP.eB在多个脑区提供了更高的GFP荧光强度和转导效率。AAV-PHP.S在成年小鼠中通过静脉注射1 × 10^12病毒总量，能够转导82%的背根神经节（DRG）神经元以及心脏和肠道神经元。AAV-PHP.S在PNS中的转导效率显著高于AAV9。

图4 AAV-PHP.eB和AAV-PHP.B转导中枢神经系统

AAV.CAP-B10和AAV.CAP-B22

2021年12月9日，Viviana Gradinaru 团队在 Nature Neuroscience上发表了题为“AAV capsid variants with brain-wide transgene expression and decreased liver targeting after intravenous delivery in mouse and marmoset ”的研究论文，通过使用Cre转基因小鼠筛选平台和M-CREATE（多重Cre依赖性选择）方法，研究人员对AAV-PHP.eB衣壳进行了序列工程化，开发新型腺相关病毒（AAV）衣壳变体AAV.CAP-B10和AAV.CAP-B22，这些变体能够在小鼠和狨猴中实现对中枢神经系统（CNS）的广泛和特异性基因传递，同时减少对肝脏的靶向。其中，AAV.CAP-B10在小鼠大脑和脊髓中显示出与AAV-PHP.eB相似的转导效率，但显著减少了肝脏中的转导。AAV.CAP-B22在大脑中的转导效率比AAV9高出12倍，但在肝脏中的表达与AAV9相似。在细胞类型特异性方面，AAV.CAP-B10在CNS中表现出对神经元的高度特异性，而对星形胶质细胞和少突胶质细胞的转导效率较低。AAV.CAP-B22则在狨猴大脑中显示出广泛的细胞类型转导。这些AAV变体在狨猴中实现了广泛的CNS转导，且在肝脏中的表达较低，这为非人灵长类动物模型中的基因治疗提供了新的途径。

图5 AAV9、PHP.eB、CAP-B10和CAP-B22在狨猴中转导效果

MaCPNS1和MaCPNS2

2022年7月20日，Viviana Gradinaru团队在Neuron上发表题为“Engineered AAVs for non-invasive gene delivery to rodent and non-human primate nervous systems”的研究论文，为了开发能够有效进行基因传递的载体，研究者们对腺相关病毒血清型9（AAV9）的衣壳进行了定向进化，并筛选出了两种新的衣壳变体，MaCPNS1和MaCPNS2。这两种新衣壳变体在啮齿类动物（小鼠和大鼠）以及非人灵长类动物（恒河猴和狨猴）中得到了验证。通过静脉注射的方式，两种AAV变体都能高效地转导到实验动物的外周神经系统（PNS）。在非人灵长类动物NHPs中，这两种AAV变体不仅能转导PNS，还能转导中枢神经系统（CNS）。研究人员通过静脉注射的方式，在小鼠体内应用了AAV-MaCPNS1病毒载体，该载体携带了jGCaMP8s和DREADD基因，分别实现神经节钙信号的监测和背根神经节化学遗传学调控。

图6 AAV9、PHP.S、MaCPNS1和MaCPNS2载体系统注射介导GFP表达

AAV.CPP.16

2022年10月10日，来自哈佛大学医学院的Bei Fengfeng团队在nature biomedical engineering上发表题为“Variants of the adeno-associated virus serotype 9 with enhanced penetration of the blood–brain barrier in rodents and primates”的研究论文，通过对AAV9病毒衣壳进行合理改造和筛选，开发出能高效穿透啮齿类和非人灵长类（食蟹猴）动物血脑屏障的病毒载体—AAV.CPP.16。经筛选后发现AAV.CPP.16不仅具有良好的跨血脑屏障能力，且感染效率比AAV9高出近几十倍。在被AAV.CPP.16感染的细胞中，大约80%的细胞为神经元，大约15%的细胞为星形胶质细胞，大约1%的细胞为少突胶质细胞，表明AAV.CPP.16对中枢系统神经元存在高度的亲和性。同时AAV.CPP.16也是胶质细胞瘤小鼠模型中递送抗肿瘤因子的有效载体。

图7 AAV9、AAV.CPP.16在小鼠中转导效果

AAV.CAP-Mac

2023年7月10日，Viviana Gradinaru团队在Nature Nanotechnology上发表题为“Adeno-associated viral vectors for functional intravenous gene transfer throughout the non-human primate brain”的研究论文，成功开发了一种新型腺相关病毒（AAV）变体AAV.CAP-Mac，通过定向进化方法从AAV9演变而来，实现了在非人灵长类动物（NHPs）大脑中的高效、非侵入性基因传递。AAV.CAP-Mac在多种灵长类动物中展现出优异的基因传递效率，包括狨猴、恒河猴和绿猴，特别在新生旧世界灵长类动物中主要靶向神经元，在成年狨猴中则主要靶向血管。研究还展示了AAV.CAP-Mac在功能性研究中的应用，如在体钙成像中传递功能性GCaMP以及在猕猴大脑中实现类似Brainbow的多色标记。

图8 静脉注射CAP-Mac到8个月大绿猴介导GFP表达

AAV-BI-hTFR1

2024年5月16日，博德研究所Bejamine Deverman团队（黄琴、Ken Y. Chan为第一作者）在Science 在线发表题为“An AAV capsid reprogrammed to bind human transferrin receptor mediates brain-wide gene delivery”的研究论文，该研究设计了一种AAV衣壳，BI-hTFR1，它能结合人类转铁蛋白受体（TfR1），这种蛋白在血脑屏障（BBB）上表达。与AAV9相比，BI-hTFR1在穿过人脑内皮细胞层时具有更高的主动运输能力，并且在携带人类TFRC基因敲入的小鼠CNS中提供了40-50倍的报告基因表达增强。这种增强的趋向性是CNS特异性的，在野生型小鼠中并不存在。在用于递送GBA1基因（与高雪氏病和帕金森病相关的基因）时，BI-hTFR1显著增加了大脑和脑脊液中的葡萄糖脑苷脂酶活性，相比AAV9有显著提升。这些发现为BI-hTFR1作为人类CNS基因治疗的潜在载体提供了科学依据。

图9 BI-hTFR1高效递送基因到TFRC KI鼠中

参考文献：

[1]Deverman BE, Pravdo PL, Simpson BP, et al. Cre-dependent selection yields AAV variants for widespread gene transfer to the adult brain. Nat Biotechnol. 2016;34(2):204-209.
[2]Chan KY, Jang MJ, Yoo BB, et al. Engineered AAVs for efficient noninvasive gene delivery to the central and peripheral nervous systems. Nat Neurosci. 2017;20(8):1172-1179.
[3]Goertsen D, Flytzanis NC, Goeden N, et al. AAV capsid variants with brain-wide transgene expression and decreased liver targeting after intravenous delivery in mouse and marmoset. Nat Neurosci. 2022;25(1):106-115.
[4]Chen X, Ravindra Kumar S, Adams CD, et al. Engineered AAVs for non-invasive gene delivery to rodent and non-human primate nervous systems. Neuron. 2022;110(14):2242-2257.
[5]Yao Y, Wang J, Liu Y, et al. Variants of the adeno-associated virus serotype 9 with enhanced penetration of the blood-brain barrier in rodents and primates. Nat Biomed Eng. 2022;6(11):1257-1271.
[6]Chuapoco MR, Flytzanis NC, Goeden N, et al. Adeno-associated viral vectors for functional intravenous gene transfer throughout the non-human primate brain. Nat Nanotechnol. 2023;18(10):1241-1251.
[7]Huang Q, Chan KY, Wu J, et al. An AAV capsid reprogrammed to bind human transferrin receptor mediates brain-wide gene delivery. Science. 2024;384(6701):1220-1227.

小布tips | 最全rAAV跨血脑屏障血清型合集

病毒产品库

新闻资讯

客户支持