图注：华盛顿大学医学院研究人员对钩虫进行基因改造，使其可在宿主体内合成并递送治疗性抗体，该概念验证研究有望为偏远地区慢性病或毒素暴露的长效治疗提供新方案。[图片来源：Makedonka Mitreva]
钩虫是一类肠道寄生虫，在全球资源匮乏的热带地区感染人数达数亿，其已进化出在人类肠道内存活数年的能力，可分泌分子实现与宿主的长期共存。如今，圣路易斯华盛顿大学医学院的研究人员将这一生物学机制开发为潜在的人类获益工具，对人源钩虫锡兰钩口线虫（Ancylostoma ceylanicum）进行基因工程改造，使其可在活宿主体内合成并递送药物。
该研究由华盛顿大学医学院约翰·T·米利肯医学系传染病学部戈登·R·米勒讲席教授Makedonka Mitreva博士领衔，研究人员首次实现了人源钩虫的成功基因改造，将其改造为可合成中和河豚毒素（tetrodotoxin, TTX）的抗体——河豚毒素是河豚及其他海洋生物产生的致死性神经毒素。团队的临床前研究显示，改造后的钩虫可在动物宿主肠道定植，并将抗毒素分泌至宿主血流中，部分灭活毒素。研究人员表示，该结果证实这种药物合成与递送策略有望为多种适应症提供长效解决方案，包括慢性病的持续治疗，或偏远地区的毒素暴露处置。
“钩虫经过数百万年的进化，已经完善了在人类宿主体内长期生存的机制，同时能够将自身合成的分子分泌到宿主体内。”Mitreva表示，“我们提出假设：能否在钩虫天然分泌的约1000种分子之外，再增加一种对人类有治疗价值的分子？这项研究证明这并非空想，而是切实可行的。”
Mitreva及其团队的研究成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications），论文题为《转基因钩虫分泌抗河豚毒素人源单链抗体》。团队在论文中总结道，该成果“是开发转基因人源钩虫药物生物工厂平台的关键一步，该平台有望在患者体内持续、安全、有效地原位递送生物制剂”。
“钩虫经进化可在人类宿主体内存活数年，同时对宿主体内稳态的干扰极小，且受控的人钩虫感染在临床场景下安全、耐受性良好，这进一步提升了其作为药物生物工厂的应用潜力。”作者写道。
已有研究基于钩虫分泌的抗炎分子可抑制驱动炎症性肠病的免疫应答这一证据，探索钩虫用于溃疡性结肠炎等炎症性肠病的治疗。Mitreva团队在此基础上进一步改造钩虫，使其分泌研究人员选定的治疗性分子，而非仅依赖寄生虫天然产生的物质。
钩虫适合作为长效药物合成与递送平台的核心原因源于其独特的生物学特性：当人体感染受控数量的钩虫幼虫时（可通过口服片剂或类似涂抹乳液的经皮途径给药），钩虫会迁移至小肠定植，定植时间通常可达数年。由于钩虫无法在宿主体内繁殖，因此虫体数量保持固定，感染处于可控状态。若需清除感染，仅需单剂口服抗寄生虫药物即可在24小时内清除全部钩虫。
为改造钩虫用于治疗用途，Mitreva团队依托华盛顿大学医学院二十余年的钩虫基因组学研究积累。这些深度数据帮助研究人员从细胞到遗传层面解析钩虫的生物学特性，从而在基因组中找到可插入编码新型抗毒素基因的有效位点。团队在本次概念验证研究中选择的抗体可中和河豚毒素，这是一种可致瘫痪、甚至死亡的毒素，目前尚无解毒剂。
该项目面临巨大的技术障碍：适用于其他生物的基因编辑工具尚未适配钩虫，此前也无人实现该物种的稳定基因改造。最关键的是，研究人员必须确保外源基因的插入不会破坏周边基因的活性，同时可驱动钩虫将抗毒素分泌至宿主体内。
团队报告显示，采集自感染基因改造钩虫的仓鼠的血液可部分中和河豚毒素，而感染未改造钩虫的动物血液无中和能力。Mitreva指出，本次初步研究实现的中和水平虽然具有统计学意义，但可能仅为该平台最终可实现效力的一部分。团队在总结中写道：“本研究报道了方法学、技术及概念层面的进展，证实我们成功对人源钩虫锡兰钩口线虫进行生物工程改造，使其可合成并分泌人源单链抗体（human single chain antibody, HuScFv）s16-HuScFv，该抗体可中和河豚毒素。”
Mitreva提出的“可配置底盘[注]”的多个组件仍在优化中，以提升治疗性蛋白的合成与分泌量。由于钩虫寄生于肠道，其分泌的大部分分子会留在肠道内而非进入血流，研究人员预计肠道内治疗性分子的浓度将显著高于本研究中在循环系统中检测到的水平，因此该平台也适用于肠道靶向治疗。
[注] 合成生物学中指可搭载功能元件的基础生物框架
团队在论文中写道：“实验性人钩虫感染已被证实安全且耐受性良好，在此基础上，本研究展示的技术、方法学及概念进展，使我们得以建立可合成、递送生物制剂的基因改造、可操控模型系统……综上，该转基因人源钩虫平台是生物技术领域极具前景的方向，有望显著革新疾病治疗与预防的理念。在技术层面，该研究也为钩虫乃至更广泛的蠕虫功能基因组学研究提供了重要进展。”
Mitreva补充道：“我们的研究证明了这一概念的全流程可行性：你可以插入一个基因，钩虫可以合成对应的蛋白，蛋白可以被分泌到宿主体内，且在宿主体内具备功能活性。从这一起点出发，我们可以优化平台，并审慎筛选最适合这种持续、靶向、长效递送系统的适应症。这是一种全新的药物生物工厂平台，我们认为它能带来其他平台极难实现的应用可能性。”
Mitreva认为克罗恩病、溃疡性结肠炎等肠道炎症性疾病及食物过敏是未来开发的优选适应症。需要持续低浓度给药、且反复注射或输液依从性差的疾病也非常适合该平台。“鉴于受控人体感染的可行性，我们的不限制特定疾病的生物工程钩虫平台为一系列慢性人类疾病的治疗提供了下一代方案，仅需单次给药，即可在人类宿主体内持续合成、递送生物制剂达数年。”作者写道。
虽然天然钩虫感染在健康成年人群中仅会引起轻微的消化道症状，但大量钩虫的慢性感染对儿童、孕妇、营养不良或其他易感人群存在风险。感染可导致贫血、生长发育迟缓、妊娠并发症，极端未治疗病例可出现心脏疾病或死亡。
Mitreva指出，这凸显了治疗用途的钩虫感染必须严格管控的重要性，由于钩虫的生命周期需要在土壤中完成部分阶段，因此其在宿主体内无法繁殖，管控具备可行性。“随着研究推进，必须确保这些转基因生物不会造成非预期的生态或人类健康影响，在创新与安全之间维持平衡。”作者表示。
Mitreva指出，目前正在考虑生物防控策略，例如改造钩虫使其无法产卵，以在平台推进过程中保护宿主及其所处环境。团队提出：“未来研究还可通过在转基因中插入自杀基因和/或诱导型启动子，解决基因改造生物的生物防控问题。”