构成脑内脉管系统的细胞类型（包括内皮细胞）的功能障碍可促进神经系统疾病的进展。然而，细胞类型特异性转基因递送系统选择有限，这导致对脉管系统的研究受到很大阻碍。腺相关病毒（AAV）载体有望将基因递送到大脑，但通常需要进行颅内注射给药，这回导致大脑组织损伤，以及有限和不均匀的空间覆盖。系统性AAV递送（静脉注射）提供了一种无创的向全脑递送的方法，但这种方法难以特异性靶向特定细胞类型。
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加州理工学院Viviana Gradinaru 团队之前开发了AAV变体，例如AAV-PHP.eB，其在啮齿动物中可通过静脉注射有效穿越血脑屏，对大脑细胞具有广泛靶向性。她的团队还开发了一些具有细胞类型特异性靶向的AAV变体，例如PHP.V1，其可通过静脉注射穿越血脑屏障，对大脑内皮细胞具有更强的靶向，但也会靶向星形胶质细胞和神经元，此外，PHP.V1需要细胞类型特异性启动子，其大尺寸限制了用来递送基因时的选择，并且仅在某些小鼠品系中起作用。
近日，加州理工学院 Viviana Gradinaru 团队在 Nature子刊 Nature Communications上发表了题为：Functional gene delivery to and across brain vasculature of systemic AAVs with endothelial-specific tropism in rodents and broad tropism in primates 的研究论文。
该研究开发了基于AAV9的新型载体AAV-X1，在对啮齿类动物（小鼠、大鼠）系统性给药后，能够特异性、高效转导到大脑内皮细胞，还能高效转导到非人灵长类动物（狨猴、恒河猴）以及离体人脑切片的中枢神经系统。此外，AAV-X1的衣壳修饰可以从AAV9转化到其他血清型，例如AAV1、AAV-DJ，从而可实现AAV在基因治疗中的重复给药。
该研究还证明了这种脑内皮细胞特异性靶向的AAV变体可以通过系统给药穿越血脑屏障，将小鼠脑脉管系统转化为功能性生物工厂，用于中枢神经系统的疾病治疗。
基于AAV的基因递送还面临一个问题——难以重复给药，第一次给药后诱导产生的中和抗体可能会导致重复给药的AAV被中和。这就需要在第一次给药时尽可能地提高治疗效果。当然，重复给药时换成另一种AAV变体可能是一种潜在解决方案，但这尚未得到充分探索。
作为最主要的体内基因治疗递送载体，AAV载体已被用于递送多种基因以治疗不同类型的疾病。一种对大脑脉管系统具有特异性靶向的AAV将为基因治疗提供新的策略。这是因为脉管系统在大脑中广泛分布，且与中枢神经系统内的其他细胞类型接近。因此，AAV靶向大脑脉管系统可以作为中枢神经系统更好的生物工厂，用来表达治疗性蛋白，以治疗中枢神经系统疾病。
在这项新研究中，研究团队通过定向进化和半理性工程设计，确定了一个基于AAV的家族，包括AAV-X1和AAV-X1.1，它们能够在小鼠体内特异性和有效地靶向大脑脉管系统内皮细胞。
研究团队在啮齿类动物模型（小鼠和大鼠）、非人类灵长类动物（狨猴和恒河猴）和离体人脑切片中对这些新型AAV进行了表征，证明了它们对啮齿动物的大脑内皮特异性细胞靶向和灵长类动物的广泛中枢神经系统靶向。
为了进一步证明AAV-X1在中枢神经系统递送神经活性蛋白中的作用，研究团队将小鼠脑内皮细胞转化为产生突触原蛋白Sparc样蛋白1（Sparcl1）/Hevin的“生物工厂”。Hevin/Sparcl1是星形胶质细胞分泌的一种蛋白，控制含有VGluT2的突触的形成。AAV-X1介导的Sparcl1/Hevin在脑内皮细胞中的异位表达，足以挽救Sparcl1/Hevin敲除小鼠的丘脑皮质突触丧失表型。
研究团队还证明了AAV-X1的衣壳修饰可从AAV9血清型转移到其他血清型，例如AAV1、AAV-DJ，从而使AAV重复给药成为可能，进而增加向中枢神经系统的转导。
总的来说，该研究开发了可提供向啮齿类动物的脑内皮特异性细胞靶向和从啮齿动物到灵长类动物的广泛中枢神经系统靶向的新型AAV系统，并且具有重复给药的潜力。
