La découverte d’enzymes de Caltech permet un nouveau mécanisme pour traverser la barrière hémato-encéphalique

Les chercheurs de Caltech ont découvert une enzyme qui permet aux vecteurs viraux de traverser la barrière hémato-encéphalique, contribuant potentiellement au développement et à la recherche de médicaments contre les troubles cérébraux.

La barrière hémato-encéphalique (BBB) ​​est une couche stricte et presque impénétrable de cellules qui protège le cerveau, protégeant l’organe vital des dangers dans le sang tels que les toxines ou les bactéries et ne permettant qu’un ensemble très limité de petites molécules, telles que les nutriments. , Pour passer à travers. Cependant, cette couche de protection rend difficile pour les chercheurs d’étudier le cerveau et de concevoir des médicaments capables de traiter les troubles cérébraux.

Maintenant, une nouvelle étude de Caltech a identifié un mécanisme jusqu’alors inconnu par lequel certains vecteurs viraux – des enveloppes de protéines conçues pour transporter diverses cargaisons souhaitées – peuvent traverser la BHE. Cette idée mécaniste peut fournir une nouvelle approche pour la conception de vecteurs viraux pour la recherche et les applications thérapeutiques. Comprendre cela et d’autres nouveaux mécanismes pourrait également donner un aperçu de la façon dont les défenses du cerveau peuvent être exploitées par des agents pathogènes émergents, permettant aux chercheurs de préparer des méthodes pour les bloquer.

Une approche opportune pour découvrir les transporteurs BBB putatifs : (1) L’évolution dirigée produit divers AAV avec une puissance cérébrale améliorée. (2) Les protéines membranaires spécifiques à la BBB sont identifiées et criblées in vitro pour leur capacité à augmenter la puissance de l’AAV. (3) Les méthodes informatiques permettent le criblage de cibles à haut débit et l’ingénierie inverse de nouveaux outils viraux, protéiques et chimiques. Crédit : Tim Shay et Gradinaru Lab à Caltech

La recherche a été menée dans le laboratoire de Viviana Gradinaru (Caltech BS ’05), professeur Lois et Victor Troendle de neurosciences et de génie biologique et directeur du Centre de neurosciences moléculaires et cellulaires, qui fait partie de l’Institut Tianqiao et Chrissy Chen de neurosciences à Caltech, et apparaît dans le journal <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Progrèsscientifiques[{“attribute=””>ScienceAdvances le 19 avril. Les premiers auteurs de l’étude sont Timothy Shay (PhD ’15), directeur scientifique du Beckman Institute CLOVER Center de Caltech ; Xiaozhe Ding, diplômé en bio-ingénierie (PhD ’23); et l’associée de recherche CLOVER Erin Sullivan.

Bien que la BHE serve de formidable défense au cerveau, certains virus ont naturellement développé la capacité de la contourner. Pendant des décennies, les chercheurs ont étudié comment utiliser ces virus comme une sorte de cheval de Troie traversant la BBB ; pour ce faire, les chercheurs extraient la cargaison virale d’origine transportée par les virus, puis utilisent leur coquille creuse pour transporter des thérapeutiques bénéfiques ou des outils de recherche. Les vecteurs viraux capables de traverser la BHE peuvent délivrer les gènes souhaités au cerveau par une simple injection dans la circulation sanguine et n’ont donc pas besoin d’être injectés de manière invasive dans le cerveau. Malheureusement, la plupart des vecteurs dérivés de virus naturellement évolués sont très inefficaces pour traverser la BHE, et doivent donc être administrés à fortes doses, ce qui augmente le risque d’effets secondaires.

L’anhydrase carbonique IV (CA-IV) permet un meilleur accès au cerveau à partir de la circulation sanguine. Image fluorescente de l’expression de la protéine CA-IV sur la barrière hémato-encéphalique (BBB) ​​de souris et modèle structurel généré par AlphaFold2 de CA-IV lié à la boucle modifiée d’un vecteur viral traversant la BBB. Crédit : Erin Sullivan et Xiaozhe Ding, Gradinaru Lab à Caltech

Inspiré par la nature, le laboratoire Gradinaru a utilisé au cours de la dernière décennie le processus d’évolution dirigée, une technique lancé à Caltech par la lauréate du prix Nobel Frances Arnold—pour guider l’évolution des vecteurs et améliorer leur capacité à traverser la BHE. Au fil des ans, le groupe a généré des dizaines de vecteurs avec différentes capacités pour traverser la BHE et cibler divers tissus et types de cellules dans une variété de

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>espèce[{“attribute=””>species. Au cours du processus, ils ont remarqué que des vecteurs distincts peuvent se comporter différemment d’un organisme modèle à l’autre, suggérant que ces vecteurs peuvent chacun avoir identifié des voies distinctes et efficaces de la circulation sanguine au cerveau.

Cependant, même si les chercheurs savaient que ces vecteurs pourrait croix, ce n’était pas encore clair comment ils traversaient. Où sont les points d’entrée dans l’enceinte fortifiée de la BBB ?

Dans cette nouvelle étude, l’équipe dirigée par Shay, Sullivan et Ding visait à identifier ces mécanismes en utilisant une approche multidisciplinaire qui combine l’expertise des chercheurs dans les techniques de chimie des protéines, de biologie moléculaire et de science des données, respectivement. Tout d’abord, Shay et Sullivan ont développé un crible de culture cellulaire pour tester rapidement la capacité de dizaines de protéines diverses trouvées à la surface de la BHE à améliorer l’infectivité des vecteurs dans une boîte. Ding a ensuite utilisé un modèle de calcul avancé (basé sur un programme d’intelligence artificielle complexe appelé AlphaFold) pour simuler la façon dont les vecteurs interagissent avec les différentes protéines, révélant les géométries des interactions découvertes dans l’écran. Ensuite, une sorte de processus de concours “March Madness” – qui fait l’objet d’un prochain article – a déterminé quels vecteurs interagissaient le mieux avec quelles protéines et a récapitulé les résultats expérimentaux du crible.

Perspectives : les AAV conçus pour atteindre le cerveau à partir de la circulation sanguine permettent des informations mécanistes sur la biologie de la barrière hémato-encéphalique, y compris l’identification de nouveaux récepteurs, qui peuvent aider à concevoir des vecteurs de délivrance viraux et non viraux de nouvelle génération pour le cerveau et peut-être aussi anticiper et lutter contre les pathogènes émergents. Crédit : Catherine Oikonomou et Viviana Gradinaru, Caltech

L’équipe a découvert une enzyme particulière, appelée anhydrase carbonique IV (CA-IV), qui permet à quelques vecteurs viraux différents de traverser la BHE. Fait intéressant, CA-IV est un ancienne enzyme que l’on trouve sur les BBB de nombreuses espèces diverses, y compris les humains; il n’était pas connu auparavant pour faciliter tout type de processus de croisement de BBB. À l’avenir, cette approche expérimentale et informatique combinée pourrait accélérer la découverte de solutions supplémentaires au croisement de la BHE et l’équipe est enthousiasmée par les possibilités d’appliquer ces passerelles moléculaires à la délivrance de thérapies cérébrales.

“Le franchissement de la barrière hémato-encéphalique est un casse-tête biologique clé”, explique Gradinaru. “Dire qu’une enzyme qui régule le pH sanguin et nous permet de goûter le pétillement du soda est une cible non intuitive pour aider les virus à traverser la BHE serait un euphémisme. Nous pouvons désormais tirer parti de CA-IV et d’autres cibles passionnantes qui continuent d’émerger de notre approche basée sur l’identification des mécanismes des vecteurs viraux traversant la BHE, pour nous aider à concevoir des vecteurs de délivrance viraux et non viraux de nouvelle génération pour le cerveau. Et peut-être que cela nous aidera également à renforcer la résilience contre les agents pathogènes émergents qui pourraient détourner les mêmes voies d’entrée dans le cerveau.

Comprendre l’éventail des mécanismes par lesquels les vecteurs viraux traversent le cerveau est essentiel pour permettre des traitements personnalisés dans diverses populations humaines. Les cerveaux et leurs BHE varient considérablement d’une espèce à l’autre et même d’un humain à l’autre. En fait, le BBB d’un individu peut varier au cours de sa propre vie. En révélant de nouveaux mécanismes de croisement de la BHE, un plus large éventail d’options d’administration neuropharmaceutique peut être adapté aux individus ayant des profils biologiques divers.

Référence : “L’anhydrase carbonique IV conservée par les primates et le LY6C1 restreint à la souris permettent le franchissement de la barrière hémato-encéphalique par des vecteurs viraux modifiés” par Timothy F. Shay, Erin E. Sullivan, Xiaozhe Ding, Xinhong Chen, Sripriya Ravindra Kumar, David Goertsen, David Brown, Anaya Crosby, Jost Vielmetter, Máté Borsos, Damien A. Wolfe, Annie W. Lam et Viviana Gradinaru,
19 avril 2023, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.adg6618

Le financement a été fourni par les National Institutes of Health et le Beckman Institute for CLARITY, Optogenetics and Vector Engineering Research (CLOVER) de Caltech.