一种起源奇异的微型分子注射器可以彻底解决医学中最棘手的问题之一：将药物输送到体内的目标位置。来源？生活在昆虫肠道中的细菌。
霍华德休斯医学研究所和 Broad 研究所的 Feng Zhang 博士的创意，弹簧加载的纳米机器看起来有点像火箭飞船。一旦对接，注射器就会向下射入细胞并输送宝贵的有效载荷。
当进一步开发时，分子注射器可以将癌症免疫疗法仅输送到肿瘤细胞，从而避免健康细胞并限制副作用。该系统还可以安全地进入大脑——众所周知药物难以进入的器官——可能穿梭于有助于诊断中风、阿尔茨海默氏症和其他神经系统疾病的蛋白质中。
发表在《自然》杂志上的注射器灵感来自细菌王国。张对探索生物宇宙的暗物质并不陌生。张以其在 CRISPR-Cas9 基因编辑方面的开创性工作而闻名，该工作起源于一种针对病毒的细菌防御系统，张长期以来一直从进化中汲取灵感，打造下一代生物技术奇迹。
然而这一次，他的团队带来了另一个合作者： AlphaFold 。
由 DeepMind 开发的人工智能因其不可思议的蛋白质结构预测能力而成为头条新闻。在使用该工具时，该团队优化了细菌注射器的核心部分，使其从他们的首选目标——昆虫细胞——切换到各种小鼠和人类细胞。
在培养细胞和小鼠中进行的几项概念验证研究展示了新注射器的威力。一项实验将毒素输送到癌细胞而不伤害其他细胞。另一个将Cas9——基因编辑工具CRISPR中的蛋白质“剪刀”——注入培养的人体细胞中，高效编辑目标基因。
这种即插即用的能力使系统成为交付的动力源泉。 “我们表明，只要在蛋白质上贴上标签，我们就可以将不同类型的蛋白质装入这些针中，”张说。
苏黎世联邦理工学院的 Charles Ericson 和 Martin Pilhofer 博士说：“能够将特定蛋白质输送到特定细胞类型将为生命科学研究以及疾病治疗提供巨大潜力，”他们没有参与工作。
该系统与其他系统结合时，为研究和医学的强大混合匹配工具箱奠定了基础。虽然目前只能穿梭蛋白质，但选择其他天然分子注射器可以将系统扩展到 DNA 和其他生物分子。
“这作为一项技术还处于早期阶段，”张说。
送货噩梦
将药物输送想象成 DoorDash。您希望您的订单只送到您手中，而不是您的邻居，并且食物完好无损。
这听起来微不足道，但这是一项很难通过药物和基因疗法实现的任务。药丸、贴剂或静脉注射针头形式的药物——想想盐水袋或化学疗法——进入血液。结果是它们淹没了不同的器官和组织，并经常引起副作用。
与之形成鲜明对比的是，另一个问题是有些药物无法深入到目标中。细胞是被双层脂肪膜包围的堡垒，其机制有时会主动吐出不需要的入侵者。当这些入侵者是基因治疗元素或治疗性蛋白质时，细胞的防御系统就会变得非常令人头疼。
科学家们已经想出了绕过这些防御的方法。一是利用无害病毒走私疫苗原料。另一种是脂质纳米球，由微小的脂肪气泡制成。一旦与细胞合并，气泡就会“破裂”并释放有效载荷。虽然这些系统是基因工程的基础，但并不像我们希望的那样精确。回到 DoorDash 的类比，dasher 会为您提供一些订单，同时将其余订单带给您毫无戒心和不情愿的邻居。
细菌灵感
在新的研究中，张扔掉了剧本，完全跳出框框。他和他的同事约瑟夫·克雷茨 (Joseph Kreitz) 开发了一种由进化打造的分子注射器。
意想不到的资源是一种名为Photorhabdus asymbiotica 的生物发光细菌，它生活在昆虫的肠道中。它们全副武装：每个都配备了微小的分子注射器——大约 100 纳米长——带有抓住宿主细胞的“脚”。一旦对接，柱塞就会穿过细胞膜，射入杀死宿主的毒素——进而让细菌逃逸并在其他细胞中定殖。
这种听起来很危险的机制——被称为收缩注射系统，或 CIS——似乎不适合安全输送系统。但是一个怪癖引起了团队的注意：细菌注射器通常只对其他细菌起作用，对动物细胞不起作用。那么，为什么不重新调整Photorhabdus注射器来注射人体细胞呢？
该团队首先研究了喷射器的一部分，称为尾纤维。张解释说，这些“触手状的东西”帮助纳米机器锁定细胞。关键是匹配细胞表面的受体或停靠站。每种细胞类型都有无数个与其生物学特性独特的码头——例如，神经元有几个与心脏细胞的码头大不相同。那些来自不同生物的更是大相径庭。
因此，设计用于昆虫细胞的注射器在人类细胞中失败也就不足为奇了。知道尾部纤维是症结所在，该团队引入了一个新的合作者：AlphaFold。使用 AI，该团队生成了在一个区域发现的棘手蛋白质的 3D 模型，该区域将注射器引导至昆虫细胞。
然后他们对该区域进行基因改造，切断尾纤维的末端并添加不同的蛋白质块以引导注射器朝向特定的小鼠和人类细胞。
“[AlphaFold] 为我们提供了制定新的递送策略所需的信息，该策略可以更改以针对不同的细胞，”Kreitz 说。
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该团队通过多项实验测试了他们的可编程喷射器。
其中一个是，他们在注射器中装入一种蛋白质，一旦注射，就会导致培养的人体细胞在黑暗中发出充满活力的绿色。对类似的注射器进行了改造，以追踪其表面散布着表皮生长因子受体 (EGFR) 的癌细胞。充满毒素的治疗几乎杀死了所有带有受体的细胞，但幸免于其他细胞。同样，该团队轻松地将 Cas9 递送到各种人类细胞中，当这些细胞与指导 RNA 一起提供时，可以在预测点编辑基因组。
最后，在终极测试中，该团队将该系统注射到老鼠的海马体中。注入荧光蛋白后，细胞会发出亮绿色的光。重要的是，虽然来自细菌，但注射器并没有引发免疫反应。
该系统并不完美。尽管在测试组织中有效，该团队希望将其范围扩大到不同类型的组织和疾病模型。另一个目标是寻找其他天然注射器，并有可能将它们发展成一整套递送工具——这与 CRISPR 的发展类似。目前，该系统仅携带蛋白质。但进一步的工程可以允许特定地输送 DNA、RNA 和其他生物分子，甚至可能控制它们的剂量。
“这种方法还为时过早，但我认为探索 [该系统的能力] 能够治疗影响人类健康的许多不同类型的疾病非常重要，”张说。
图片来源：Joseph Kreitz，麻省理工学院布罗德研究所和哈佛大学，麻省理工学院麦戈文大脑研究所