Доставка белков требует решения сложных задач, таких как преодоление различных биологических барьеров между местом введения и клетками-мишенями, специфическое тканевое нацеливание и сохранение целостности белка до достижения им целевого места.
Белки часто нестабильны вне физиологической внутриклеточной среды. Это представляет собой проблему как при производстве, так и при доставке рекомбинантных белков пероральным и внутривенным путем (что требует сохранения белка в пищеварительной и кровеносной системах). Свободные белки часто являются иммуногенными, что ограничивает их биодоступность и может вызывать патологические иммунные реакции. Их большой размер и зачастую гидрофильная и заряженная макромолекулярная природа делают их неспособными пассивно проходить через биологические барьеры.
Многие белки требуют контролируемой доставки в определенную целевую ткань, тип клеток или внутриклеточный отсек для обеспечения их активности и оказываются неэффективными или даже вредными, если доставляются в другое место. Особую сложность представляет доставка в центральную нервную систему (ЦНС), которая требует прохождения через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). ГЭБ непроницаем для большинства гидрофильных и крупных (>400 Da) молекул, что исключает почти все белки.
Различные подходы к наноматериалам и белковой инженерии пытались решить эти проблемы. Некоторые из этих методов включают использование химических модификаций или молекулярных слияний с интересующим белком, в то время как другие включают специализированные системы носителей из наночастиц, липосом, экзосом и мицелл. Тем не менее, эти методы, как правило, имеют ограниченную эффективность in vivo, часто требуют специфической подгонки под каждый интересующий белок и применяются в основном к пептидам, внеклеточным белкам или связующим, а не к полноразмерным внутриклеточным белкам. Поэтому новый метод, решающий эти проблемы, найдет широкое применение как в научных исследованиях, так и в медицине.
Для научных исследований эффективная доставка белковых препаратов, таких как антитела, связывающие, репортерные и редактирующие геном белки, может облегчить их использование для воздействия на биологические процессы в их естественном контексте in vivo. Доставка природных эндогенных или гетерологичных белков, представляющих интерес, может позволить напрямую изучать их активность, регуляцию и взаимодействие. В медицине эффективная и безопасная доставка белков может открыть широкую категорию белковых терапий, включая терапию эндогенными белками, а также гетерологичными и инженерными белками, такими как иммунотерапия антителами, инженерные ферменты, регуляторы транскрипции, программируемые генетические редакторы и внутриклеточные сигнальные пептиды.
В этой статье мы рассматриваем Toxoplasma gondii, простейшего паразита мозга, как потенциальный биологический инструмент, который может быть конструктивно использован для доставки интересующих белков в ЦНС. T. gondii - это вездесущий паразит, которым обычно инфицируются при употреблении пищи и может активно мигрировать в ЦНС, проникая через ГЭБ с помощью сложных механизмов, отлаженных в ходе их коэволюции с хозяевами.
В ЦНС T. gondii взаимодействует и сохраняется преимущественно в нейронах. У T. gondii есть три органеллы для секреции белков, две из которых могут доставлять эффекторные белки непосредственно в клетки хозяина. Учитывая эти замечательные "врожденные способности", мы сосредоточили наше исследование на доставке белков с известными полезными свойствами в нейроны. Мы протестировали белки с различными размерами, функциями и внутриклеточным расположением мишеней и наблюдали высокий уровень внутриклеточной доставки для нескольких терапевтических нейронных белков.
Мы охарактеризовали факторы, влияющие на доставку, а также активность доставленного белка, используя различные модели in vitro, включая нейроны и органоиды мозга. Мы продемонстрировали доставку в мозг мышей после внутрибрюшинного введения и охарактеризовали ее кинетику. Наконец, мы использовали репортерную систему для характеристики трехмерного распределения секретируемых белков в мозге. В совокупности наши данные позволяют доказать концептуальность различных вариантов применения сконструированных T. gondii в качестве средства внутриклеточной доставки белков in vitro и in vivo.
Изучение различных способов ослабления T. gondii будет одним из важнейших шагов для разработки любых векторов на основе T. gondii. Хотя естественные инфекции у иммунокомпетентных людей обычно протекают бессимптомно, заражение T. gondii все же может вызывать неблагоприятные последствия в различных ситуациях, включая свидетельства нейротоксичности. Аналогичные биологические методы лечения, требующие ослабления штаммов, включают вирусную генную терапию, а также другие методы «живой» терапии с использованием природных патогенов, такие как иммунотерапия на основе листерий, терапия модифицированным микробиомом, иммунотерапия гельминтами, живые и гетерологические вакцины. Потенциальные подходы могут включать отключение генов вирулентности, нарушение дифференцировки брадизоитов, ограничение репликации in vivo или инвазии клеток, что мы активно исследуем, ауксотрофию, повышенную восприимчивость к лекарствам и повышенную чувствительность к естественному иммунному ответу хозяина.
В целом, необходимы дальнейшие исследования, направленные на определение и повышение безопасности и эффективности векторов на основе T. gondii-. Мы считаем, что постоянный прогресс в разработке генетических методов работы с T. gondii, улучшение характеристик молекулярных механизмов инфекции, персистенции и иммунитета хозяина, а также постоянное междисциплинарное объединение подходов из других областей биоинженерии позволят продолжить изучение пригодности T. gondii в качестве вектора и облегчат его разработку для различных применений.
