核酸藥物的研究前沿和挑戰
前言
遺傳學的中心法則認為，核酸攜帶人類遺傳信息，在生長、發育和繁殖等生命過程中起著至關重要的作用，核酸可用于修飾遺傳信息以治療各種疾病。核酸藥物（NAD）是一類基于DNA、RNA或合成寡核苷酸類似物的基因治療藥物。它們在臨床應用方面具有相當大的潛力，如治療細菌感染、腫瘤和神經肌肉疾病，這些藥物可以通過基因抑制、替代和編輯實現長期療效。
NAD作為一種新興的治療方式，可以精確地針對特定的基因或基因產物，實現精準治療。此外，與傳統小分子藥物和抗體藥物相比，NAD的發現和開發周期更短，成本相對較低，這有助于加速新藥的研發。NAD不僅在遺傳性疾病和癌癥治療中具有潛力，還可以應用于其他多種疾病，如心血管疾病、代謝性疾病、神經退行性疾病等。因此，NAD的未來前景光明，根據市場分析，NAD的市場規模預計將在未來幾年內顯著增長。
NAD的歷史發展
NAD的發展與基礎分子生物學的重大發現和對生命活動的持續觀察密不可分。1869年，Friedrich Miescher從白細胞中發現了一種名為“核素”的新分子，這標志著DNA發現的開始。隨后，DNA雙螺旋結構和遺傳學中心法則的揭示闡明了核酸是傳遞遺傳信息的。在1956年，Rich和Davies發現，基于互補堿基配對的原理，RNA可以形成類似于DNA的雙鏈結構，這一結果為開發RNA雙鏈藥物奠定了基礎，包括microRNAs（miRNAs）和小干擾RNAs（siRNA）。1960年，Rich報道了DNA/RNA雜交現象；1978年，在這一發現的基礎上，Zamecnik和Stephenson使用靶向勞斯肉瘤病毒35S RNA的特定寡核苷酸鏈來抑制病毒復制，這標志著反義寡核苷酸（ASO）藥物在疾病治療中的應用原型。
隨著轉錄和翻譯研究的深入，人們發現了RNA剪接過程。RNA剪接是基因表達的關鍵步驟，靶向剪接位點的ASO可以恢復缺陷基因的正確剪接，而不僅僅是下調基因表達。這一發現為與錯誤剪接相關的疾病提供了一種新的治療策略。
1998年，Andrew Fire和Craig Mello研究發現雙鏈RNA（dsRNA）在秀麗隱桿線蟲中具有強大的基因沉默作用，他們將這一發現稱為RNA干擾（RNAi）。RNAi被迅速應用于抑制丙型肝炎病毒在小鼠體內的復制，標志著siRNA介導的體內基因沉默的最早證據。2006年，他們因RNAi技術獲得了諾貝爾生理學和醫學獎。隨著先進的化學修飾和靶向遞送系統的開發，2018年美國食品和藥物管理局（FDA）批準了第一種siRNA藥物patisiran，用于治療遺傳性甲狀腺素介導的淀粉樣變性的多發性神經病。
1984年，Krieg和Melton使用從病毒中提取的RNA聚合酶從DNA模板中進行體外轉錄，成功地在無細胞系統中實現了mRNA表達。因此，自20世紀90年代以來，體外合成的mRNA越來越多地用于預防和治療疫苗中的蛋白質替代。2005年，假尿苷（Ψ）修飾的發現解決了體外合成mRNA的免疫原性問題，2008年啟動了針對黑色素瘤的mRNA疫苗的首次人體試驗。2020年，在新冠大流行期間，FDA授權緊急使用mRNA疫苗。52 2023年，KatalinKariko和Drew Weissman因開創了降低mRNA免疫原性的核苷堿基修飾技術而獲得諾貝爾生理學和醫學獎，這為NAD在治療人類疾病方面開辟了新的臨床應用。
同時，發現其他類型的核酸和生物現象進一步擴大了NAD的范圍。基因編輯技術的出現為開發基因突變疾病的新療法奠定了基礎。最近，第一種基于簇狀規則間隔短回文重復序列（CRISPR）/Cas9技術的基因療法已被批準上市，這給NAD的發展帶來了革命性的變化。
NADs的分類和治療機制
根據其作用機制，NAD可大致分為三類：第一類包括靶向核酸通過促進或抑制翻譯來調節蛋白質表達的NAD。這一類別主要包括ASO、siRNA、miRNA、saRNAs和CRISPR/Cas系統；第二類包括靶向蛋白質的NAD，如適配體；第三類包括表達蛋白質的NAD，如體外轉錄的mRNA。
靶向核酸的NAD
ASO：ASO是人工合成的單鏈寡核苷酸鏈，根據沃森-克里克堿基配對原理，通過特異性結合調節和靶向RNA的功能。臨床使用的ASO的作用機制主要包括核糖核酸酶H（RNaseH）介導的降解和空間阻斷機制。基于這一機制的代表性藥物包括Fomiversen（Vitravene®）、Mipomersen（Kynamro®，Delisted）、Inotersen（Tegesdi®）、Volanesorsen（Waylivra®）和Tofersen（Qalsody®）。
siRNA：siRNA是一種雙鏈RNA分子，通常長19-23個堿基對，siRNA通過阻斷mRNA翻譯誘導基因沉默。與ASO不同，siRNA介導的基因沉默是通過RNA誘導的沉默復合物（RISC）而不是RNaseH。一旦成熟的siRNA進入細胞，它就會與Argonaute-2（AGO2）蛋白形成復合物，它引導RISC切割靶序列，從而通過下調特定蛋白質的翻譯來達到治療效果。迄今為止，已有多個siRNA藥物獲得國際批準。第一種siRNA藥物patisiran（Onpattro®），已被批準通過降解編碼轉甲狀腺素蛋白（TTR）的mRNA來治療遺傳性轉甲狀腺素蛋白介導的淀粉樣變。
miRNA：在真核生物中發現的內源性非編碼RNA可以作為基因調節因子。人們對miRNA的調控機制進行了廣泛的研究，在Drosha/DGCR、Exportin-5/RAN-GTP和Dicer/TRBP等復合物的幫助下，從miRNA基因的非編碼區轉錄的初級miRNA（pri-miRNA）被加工成成熟的miRNA。miRNA與Argonaute蛋白結合形成miRNA誘導沉默復合物（miRISC），它可以通過堿基對互補沉默靶轉錄物。與siRNA介導的基因沉默不同，miRNA可以同時識別和調節多個靶mRNA的表達，因為它們的互補性較低。miRNA藥物的開發主要包括兩類：miRNA模擬物和miRNA抑制劑。ViridianTherapeutics開發的miRNA藥物MRG-201（Remlarsen）模擬microRNA-29b來逆轉纖維化，從而抑制皮膚傷口中的纖維增殖。除了MRG-201，Viridian Therapeutics還有其他幾種基于miRNA的藥物，包括MRG-106（Cobomarsen），其靶向miR-155抑制腫瘤；MRG-110，其靶向miR-92促進血管生成。到目前為止，還沒有任何miRNA藥物被批準上市。
saRNA：除了經典的基因沉默機制外，RNA激活的發現為基因調控提供了新的視角。RNA激活是一種由稱為saRNA的小dsRNA介導的基因調控現象，saRNA靶向基因啟動子序列以增強靶基因的轉錄。通過內吞作用進入細胞后，saRNA與AGO2結合，AGO2和反義鏈被轉運到細胞核中，在那里它們與啟動子區域結合。隨后，AGO2招募RNA聚合酶相關蛋白CTR9同源物和RNA解旋酶II（RHA）形成RNA誘導的轉錄激活（RITA）復合物。該復合物與RNA聚合酶II（RNAP II）相互作用，并刺激轉錄的啟動和延長。MiNA Therapeutics開發的saRNA藥物MTL-CEPA靶向CCAAT/增強子結合蛋白α（CEBPA）。I期試驗結果（NCT05097911）表明，MTL-CEBAPA在治療肝細胞癌方面具有良好的安全性，并可能通過調節免疫抑制來增強酪氨酸激酶抑制劑的治療效果。除了MTL-CEMPA外，MiNA Therapeutics還有幾種saRNA候選物正在臨床前開發中。
CRISPR/Cas9系統：基因編輯是一種基因工程技術，通過插入、缺失和位點特異性突變精確修飾靶基因。CRISPR介導的基因編輯系統主要涉及Cas9和單導向RNA（sgRNA），在基因組的特定位置引入DNA雙鏈斷裂（DSBs）。這些DSB通常通過同源定向修復（HDR）或非同源末端連接（NHEJ）進行修復，實現突變或外源基因插入。Exa-cel（Casgevy®）于2023年11月獲得批準，是第一種基于CRISPR/Cass9系統的基因編輯治療藥物，用于治療鐮狀細胞病（SCD）和輸血依賴性β-地中海貧血（TDT）。
靶向蛋白質的NAD
適配體是單鏈寡核苷酸分子，與其他基于核酸的藥物不同，適配體依靠其獨特的三維構象特異性識別和結合靶分子，如肽、蛋白質、病毒、細菌和細胞。這類似于介導抗體-抗原相互作用和復合物形成的構象識別。然而，與抗體相比，適配體具有幾個優點，包括高熱穩定性和生理穩定性、低免疫原性和更廣泛的靶特異性。適配體在治療癌癥、眼科和心血管疾病（CVD）方面顯示出了很好的應用前景。
2004年，FDA批準了第一種適配體藥物pegaptanib（Macugen®），用于治療新生血管性年齡相關性黃斑變性（AMD）。然而，由于其療效不佳以及與Lucentis等抗VEGF抗體藥物的競爭，pegaptanib被撤出市場。盡管如此，適配體的研究仍在繼續。2023年8月，avacincaptadpegol被批準用于治療繼發于干性AMD的地圖狀萎縮（GA）。
表達蛋白質的NAD
與通過直接結合mRNA或蛋白質發揮治療作用的NAD相比， mRNA藥物有兩種治療策略。一種策略是蛋白質替代療法，它涉及將外源性mRNAs引入細胞以表達功能性蛋白質或補充缺陷性蛋白質。例如，mRNA-3927編碼丙酰輔酶A羧化酶的α和β亞基，旨在治療丙酸血癥。針對該適應癥的I/II期試驗（NCT05130437）已在兒科患者中啟動。此外，mRNA-3704和mRNA-3705編碼MUT，旨在治療甲基丙二酸血癥，目前正在研究中。
第二種方法涉及mRNA疫苗，它通過直接翻譯含mRNA的抗原蛋白來激活身體的免疫反應，以對抗傳染病和腫瘤。在新冠肺炎大流行期間，FDA授權緊急使用輝瑞-BioNTech開發的BNT162b2和Moderna開發的mRNA-1273。
NAD開發的挑戰
與對蛋白質發揮藥理作用的傳統小分子和抗體藥物不同，大多數NAD直接調節基因表達，提供了更廣泛的靶點。這對于解決具有難以用傳統藥物靶向的缺陷蛋白質的基因尤其有價值，在治療罕見病、慢性病、傳染病和其他代謝性疾病方面顯示出巨大的潛力。然而，盡管有這些優勢，NAD的開發仍面臨著一系列的挑戰。
藥代動力學和穩定性
裸核酸在體內穩定性較差，可以在血液中降解。它們在血液和組織液中經歷酶（核酸酶和RNA酶）或化學（氧化和水解）降解，或被腎臟過濾和清除。盡管研究人員已經通過幾種化學修飾來增強NAD的穩定性，但幾乎所有這些方法都會影響療效和安全性。
免疫原性
外源核酸可以被免疫系統中的模式識別受體識別為外源信號，引發免疫反應，損害核酸的結構完整性和穩定性。仔細設計和修飾NAD可以減輕免疫原性，但這需要大量的臨床測試。
脫靶效應
治療性核酸在體內往往缺乏足夠的靶向能力。這種不充分的靶向性導致疾病部位的NAD濃度低，以及意外的基因沉默或激活，可能會因需要更高的劑量而導致安全問題。設計特定的核酸和進行徹底的脫靶篩選對于NAD的有效臨床應用至關重要。
攝取效率和內體逃逸
由于NAD的大小、電荷和親水性，很難將其有效吸收到細胞中。帶負電荷的核酸不容易穿過細胞膜的帶負電荷脂質雙層。此外，內體逃逸是一個重要的障礙，因為核酸經常被困在內體中并降解。進入細胞后，NAD通常被內體捕獲。只有那些成功逃脫內體的NAD才能發揮其治療作用。內體逃逸不足會導致療效降低和脫靶毒性增加。
生產制造
除了前面的問題，NAD還面臨著制造和規模放大的挑戰。大規模生產具有一致質量的NAD需要先進的制造技術和嚴格的質量控制措施。這導致了相對較高的成本，影響了患者的可及性和可負擔性。
小結
近年來，以核酸藥物為基礎的療法逐漸成為各種疾病的潛在干預策略。一般來說，NAD療法根據其作用方式和使用的分子分為不同的類別。許多NAD療法已被開發用于各種疾病，并且在許多臨床前和臨床研究中獲得非常有希望的結果，尤其是mRNA疫苗成為目前最火熱的研究領域之一。目前，基于NAD的療法依然存在許多挑戰，包括遞送系統在內的許多方面仍需要得到進一步的研究和開發，然而不可否認，未來十年屬于NAD治療的時代終將到來。
參考文獻：
1.RNA Therapeutics - Research and Clinical Advancements. Front Mol Biosci. 2021; 8: 710738.
2. mRNA vaccines for infectious diseases: principles, delivery and clinical translation. Nat RevDrugDiscov. 2021 Aug 25 : 1–22.
3. Nucleic acid drugs: recent progress andfuture perspectives. Signal Transduct Target Ther. 2024 Nov 29;9:316
原文標題 : 核酸藥物的研究前沿和挑戰
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