张锋最新论文：把“细菌注射器”升级改造为递药系统，实现多种生物分子的靶向递送

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

细胞外可收缩注射系统（eCIS），是来自细菌/古菌的一种大分子复合物，eCIS 作为一种细菌的一种“纳米注射器”，在细菌靠近目标细胞时，其通过伸出一个注射器针头样结构，刺穿细胞膜，然后将其携带的蛋白质有效载荷（例如细菌毒素）注入到真核细胞中。

2023 年 3 月，CRISPR基因编辑先驱张锋教授及其团队在Natrue期刊发表论文【1】，该研究选择了一个eCIS 的一个亚型——Photorhabdusvirulence cassette（PVC），将其改造为一种新型蛋白质递送系统，可在细胞或动物体内进行靶向蛋白质递送，在基因编辑、癌症治疗和临床靶向递送等领域展现出广阔的应用前景，有望可能成为多种生物疗法的关键递送工具。

2025 年 8 月 12 日，张锋团队在Nature Biotechnology期刊发表了题为：Targeted delivery of diverse biomolecules with engineered bacterial nanosyringes 的研究论文。

PVC是一种细菌纳米注射器，已被张锋团队改造用于向人类细胞递送蛋白质。现在，他们对该系统进行了进一步升级改造，推出了更强大的递送系统——SPEAR，其不再局限于靶向递送蛋白质，还能够递送核糖核蛋白（RNP）和单链 DNA（ssDNA），并且能够在体外和体内靶向特定的细胞类型。这项最新研究表明，SPEAR是一种高度可编程的生物分子递送底盘，在生物技术领域有着广泛的应用。

在之前的Nature论文中，张锋团队解析了 eCIS 的一个亚型——Photorhabdus virulence cassette（PVC）的结构和递送机制，并将其改造为蛋白质靶向递送系。然而，这一 PVC 系统只能递送蛋白质，将未折叠的蛋白质链装载到其管腔中，注射到细胞内再折叠成正确的结构来发挥作用。

递送升级——不再局限于递送蛋白质

在这项最新研究中，张锋团队对 PVC 系统进行了升级改造，推出了SPEAR系统。

SPEAR 系统的核心创新之处在于巧妙地改造了“纳米注射器”的“针头”结构——Pvc8 蛋白（针头基座）和 Pvc10 蛋白（针头）；他们还借鉴了细菌的另一种类似的“注射器”——VI 型分泌系统 T6SS，将所要递送的“货物”直接“拴”在 Pvc8 或 Pvc10 上，从而实现了——

1、递送折叠好的货物：将 Cas9 蛋白与 gRNA 预先组装为 RNP，再结合在 Pvc10 上，能够向人类细胞高效递送 RNP，而无需再额外转染 gRNA，即可在细胞内实现精准基因编辑；

2、递送单链 DNA：在 Pvc10 上加上一个“挂钩”——HUHe 酶，以特异性抓取一段设计好的单链 DNA，可在细胞内实现精准的基因插入修复；

3、同时递送多个货物：SPEAR 系统能够同时利用针头挂载和管腔装载两种方式，各装载锌指脱氨酶（ZFD）的一半，可在细胞内实现高效的碱基编辑。

“乐高式”组装，即用即配

SPEAR系统的另一大优势是模块化设计和体外组装，其“针头” Pvc10，就像真正的注射器针头一样，并非整个系统主体组装的必要组件。

因此，可以预先批量生产主体部分（缺少 Pvc10），然后再根据需求将携带了不同货物的 Pvc10 组件组装到主体上，这种即用即配的方式极大地提高了灵活性，可快速为不同需求定制装载了不同货物的 SPEAR 系统，甚至还可装载那些无法在细菌内生产的化学修饰分子。

精准靶向，指哪打哪

光能够递送货物还不够，关键在于能够精准靶向目标细胞，之前的 PVC 系统是在其尾纤维（Pvc13）上装载一些小的靶向分子（例如 DARPin、纳米抗体），而像单链抗体、单克隆抗体等能够实现更精准靶向的大分子却无法装载。

SPEAR系统解决了这一问题，通过在 Pvc13 上安装“通用接口”（例如 SpyTag、SNAP-tag），能够轻松链接带有匹配接口的任意抗体，通过识别细胞表面特定蛋白，实现精准靶向。

进一步实验显示，该系统可在体外混合细胞中以及小鼠体内实现对特定细胞的精准靶向，而不影响非靶细胞。

SPEAR系统

SPEAR系统代表了生物大分子递送领域的一项重大突破——

1、递送货物多样化：蛋白质、RNP（蛋白质+RNA）、单链DNA 都能递送；

2、靶向性极强且范围广：通过在体外连接抗体，理论上可以精准靶向任何具有已知表面标志物的细胞类型；

3、模块化与灵活性：模块化的体外组装方式，使得定制化生产更具灵活性；

4、独特的递送机制：PVC 通过物理注射方式穿透细胞膜，可绕开细胞内吞等复杂路径，因此有潜力应用于难转染细胞，甚至是植物、真菌或细菌等细胞类型；

5、稳定性好：装载好的 PVC 在 -80°C 下保存 23 个月仍保持活性。

总的来说，该研究将自然界细菌的“武器”，成功改造成了精准递送生物分子的“纳米级注射器”，它解决了基因治疗和细胞疗法中长期面临的递送瓶颈问题——如何安全、高效、精准地将治疗分子送到指定细胞。虽然从实验室到临床应用还有很长的路要走，但这项技术无疑为未来的基因疗法、细胞疗法、疫苗开发乃至基础研究，提供了一个极其强大和灵活的新工具。

论文链接：

1. https://www.nature.com/articles/s41586-023-05870-7

2. https://www.nature.com/articles/s41587-025-02774-x