Ученые модифицировали Toxoplasma gondii, чтобы доставить в мозг мыши потенциальное лекарство от синдрома Ретта.
Гематоэнцефалический барьер - это важнейшая защитная мембрана, которая в процессе эволюции защитила мозг от патогенов и токсичных веществ, которые могут содержаться в крови. Он также не пропускает подавляющее большинство потенциальных терапевтических препаратов, что существенно ограничивает возможности лечения опухолей мозга, нейродегенеративных заболеваний и генетических нарушений центральной нервной системы. Однако некоторые патогены разработали механизмы, позволяющие преодолевать эти защитные механизмы. Возможно, самым успешным захватчиком является Toxoplasma gondii, одноклеточный паразит, который создает хронические инфекции внутри нейронов и обитает у 30% человеческой популяции.
В исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Microbiology, международная группа ученых использовала эти паразитические способности для доставки терапевтических макромолекул не только через гематоэнцефалический барьер, но и в нейроны. На мышах они показали, что генетически модифицированная Toxoplasma секретирует функциональную версию метил CpG-связывающего белка 2 (MeCP2) - белка, мутации в котором вызывают редкое неврологическое расстройство синдром Ретта.
«Мне нравится эта статья», - поделился Йерун Сейдж, паразитолог из Калифорнийского университета, не принимавший участия в исследовании. «Я считаю, что это хорошая работа, подтверждающая концепцию. Но очевидно, что она находится на самой ранней стадии». Хотя Сейдж отметил проблемы безопасности, связанные с использованием потенциального патогена в качестве средства доставки, он также признал преимущества такого подхода. «Преодолеть гематоэнцефалический барьер не так-то просто, многие лекарства или терапевтические средства с трудом проникают в мозг. А токсоплазмы естественным образом попадают в мозг, что является большим преимуществом».
Будучи аспирантом неврологии в Тель-Авивском университете, соавтор исследования Шахар Брача, работающая сейчас в Массачусетском технологическом институте, узнала о трудностях доставки лекарств в мозг. Поэтому, когда она наткнулась на данные об исследованиях токсоплазм, то увидела возможность там, где большинство других видели лишь условно-патогенный микроорганизм: возможно, этого паразита, нацеленного на мозг, можно было бы сконструировать так, чтобы он продуцировал терапевтические препараты, как только доберется до места назначения.
«Поначалу это была безумная идея, - признается Браха. Но чем больше она читала, тем больше ей казалось, что это возможно. «Идея попытаться решить проблемы биоинженерии, отправившись в природу и попытавшись найти место, где эволюция уже разработала решение, вместо того чтобы пытаться сконструировать все с нуля, - эта идея меня очень вдохновила», - рассказала она.
Токсоплазма, похоже, уже обладала большинством качеств, необходимых для терапевтических средств, нацеленных на мозг: она способна обходить иммунную систему хозяина, преодолевать гематоэнцефалический барьер, распространяться по мозгу с минимальными повреждениями, проникать в нейроны и выделять белки в клетки хозяина.
Сначала исследователи искали в литературе белки, связанные с неврологическими расстройствами человека, для которых существовали доклинические доказательства того, что даже частичное восстановление белка приносило пользу. Они нашли несколько белков-кандидатов, которые могли бы стать потенциальными терапевтами. Однако им нужно было выяснить, как экспрессировать эти белки в секреторной органелле токсоплазмы, называемой плотной гранулой, которая является одной из трех систем секреции, присутствующих у паразита. Эта органелла отвечает за секрецию белков на стадии хронической инфекции, когда токсоплазмы надежно укрыты в вакуолях внутри нейрона хозяина. Исследователи сконструировали токсоплазму для производства различных белков-кандидатов, каждый из которых был соединен с GRA16, белком, который, будучи секретированным плотной гранулой, попадает в ядро клетки-хозяина.
Токсоплазма имеет несколько типов секреторных органелл, включая микронемы, роптри и плотные гранулы. ©istock, KKT Madhusanka
Из множества терапевтических белков, которые они создали в токсоплазмах, только несколько - в том числе MeCP2 и транскрипционный фактор EB, который может помочь противостоять нейродегенерации, - успешно добрались вместе с GRA16 до ядра клетки-хозяина. Однако одно дело - показать, что этот белок-франкенштейн может попасть в ядро хозяина, и совсем другое - продемонстрировать его функциональность после появления.
Браха и ее коллеги ввели сконструированного паразита в клетки человеческого мозга in vitro и обнаружили, что белок GRA16-MeCP2 связывается с метилированной ДНК так же, как и обычный MeCP2. Более того, этот связанный белок изменил экспрессию генов в органоидах человеческого мозга, что позволяет предположить, хотя и не является убедительным доказательством, что MeCP2 функционирует нормально, даже будучи присоединенным к GRA16. Исследователи продемонстрировали, что эти геномные изменения не повлияли на фирменный талант токсоплазмы: при периферическом введении мышам паразиты, несущие связанный белок, по-прежнему могли проникать в мозг.
Однако работа ученых только начинается. «Важно подчеркнуть, что это доказательство концепции очень новой идеи», - говорит Браха. «Определенно, профиль безопасности таких векторов должен быть улучшен за счет ослабления паразита. Это то, что было сделано с другими биологическими препаратами. С вирусными генными терапиями были проведены десятилетия исследований, чтобы ослабить и оптимизировать их для доставки». Сейдж отметил, что аттенуация токсоплазмы может быть особенно сложной. "Большинство исследований показали, что менее вирулентные штаммы токсоплазм... с трудом достигают мозга, потому что обычно они уничтожаются иммунной системой. Так что это своего рода «уловка-22»: если вы хотите сделать токсоплазму менее вирулентной и менее опасной, она, вероятно, также будет менее способна попасть в мозг».
Исследователи по-прежнему считают, что токсоплазму можно ослабить другими способами, и Браха отмечает она в настоящее время изучает возможные решения. Одним из вариантов является создание ауксотрофии, чтобы организм не мог размножаться в отсутствие соединения, необходимого для его роста. Они также изучают способы разработки генетических переключателей для уничтожения по требованию. Если исследователям действительно удастся добиться такого ослабления, они будут на пути к превращению токсоплазмы из патогена в союзника в борьбе с неврологическими заболеваниями.
