Engineering Toxoplasma gondii secretion systems for intracellular delivery of multiple large therapeutic proteins to neurons

弓形虫 分泌物 体内 细胞生物学 中枢神经系统 血脑屏障 神经科学 内生 生物 免疫学 生物化学 抗体 生物技术
作者
Shahar Bracha,Hannah J. Johnson,Nicole A. Pranckevicius,Francesca Catto,Athena Economides,Sergey Litvinov,Karoliina Hassi,Marco Tullio Rigoli,Cristina Cheroni,Matteo Bonfanti,Alessia Valenti,Sarah Stucchi,Shruti Attreya,Ross Prentice,Daniel Walsh,Nati Malachi,Hagay Livne,Reut Eshel,Vladislav Krupalnik,Doron Levin,Stuart Cobb,Petros Koumoutsakos,Nicolò Caporale,Giuseppe Testa,Adriano Aguzzi,Anita A. Koshy,Lilach Sheiner,Oded Rechavi
出处
期刊:Nature microbiology 卷期号:9 (8): 2051-2072 被引量:2
标识
DOI:10.1038/s41564-024-01750-6
摘要

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.
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