Wie man mittels eines Parasiten das Gehirn manipuliert, weil er die Blut-Hirnschranke überwinden kann: «Entwicklung von Toxoplasma gondii-Sekretionssystemen für die intrazelluläre Verabreichung von mehreren großen therapeutischen Proteinen an Neuronen»
Delivering macromolecules across biological barriers such as the blood–brain barrier limits their application in vivo. Previous work has demonstrated that Toxoplasma gondii, a parasite that naturally travels from the human gut to the central nervous system (CNS), can deliver proteins to host cells. Here we engineered T. gondii’s endogenous secretion systems, the rhoptries and dense granules, to deliver multiple large (>100 kDa) therapeutic proteins into neurons via translational fusions to toxofilin and GRA16. We demonstrate delivery in cultured cells, brain organoids and in vivo, and probe protein activity using imaging, pull-down assays, scRNA-seq and fluorescent reporters. We demonstrate robust delivery after intraperitoneal administration in mice and characterize 3D distribution throughout the brain. As proof of concept, we demonstrate GRA16-mediated brain delivery of the MeCP2 protein, a putative therapeutic target for Rett syndrome. By characterizing the potential and current limitations of the system, we aim to guide future improvements that will be required for broader application.
Die Übertragung von Makromolekülen über biologische Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke schränkt ihre Anwendung in vivo ein. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Toxoplasma gondii, ein Parasit, der auf natürliche Weise vom menschlichen Darm zum zentralen Nervensystem (ZNS) wandert, Proteine an Wirtszellen abgeben kann. Hier haben wir die endogenen Sekretionssysteme von T. gondii, die Rhoptrien und dichten Granula, so verändert, dass sie mehrere große (>100 kDa) therapeutische Proteine über Translationsfusionen mit Toxofilin und GRA16 in Neuronen einschleusen. Wir demonstrieren die Verabreichung in kultivierten Zellen, Hirnorganoiden und in vivo und untersuchen die Proteinaktivität mithilfe von Bildgebung, Pull-Down-Assays, scRNA-seq und Fluoreszenzreportern. Wir zeigen eine robuste Verabreichung nach intraperitonealer Verabreichung in Mäusen und charakterisieren die 3D-Verteilung im Gehirn. Als Beweis des Konzepts demonstrieren wir die GRA16-vermittelte Verabreichung des MeCP2-Proteins im Gehirn, einem möglichen therapeutischen Ziel für das Rett-Syndrom. Durch die Charakterisierung des Potenzials und der derzeitigen Grenzen des Systems wollen wir künftige Verbesserungen anleiten, die für eine breitere Anwendung erforderlich sein werden.