RNA 靶向药物|设计策略与生产工艺优化

2021
06/17

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BiG生物创新社
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通过特定的化学修饰可提高药物安全性、代谢稳定性、靶向性、结合亲和力和沉默效果,大幅拓展了药物的治疗窗口,因此化学修饰的绝对必要性在RNA靶向药物的临床开发早期挫折中已经得到了充分证明。

文|广发证券,孔令岩、罗佳荣

编辑|BiG

稳定性化学修饰与递送系统是核酸药物设计策略的关键。安全性与疗效是 RNA 靶向药物设计与开发所面临的主要挑战,也是早期药物研发失败的主要原因。



RNA 靶向药物设计与开发的主要挑战


基于早期RNA靶向药物的临床开发经验表明,避免药物所带来的细胞毒性是十分必要的,安全性问题是早期RNA靶向药物研发失败的主要原因。


RNA靶向疗法开 发过程中的一个关键挑战是避免非特异性毒性,细胞毒性主要有以下四个来源:


  • 细胞内先天感应器对外来双链RNA(dsRNA)的免疫原性反应;
  • 递送系统及辅料的免疫原性和非免疫原性毒性作用;
  • 由于药物脱靶的而导致的非预期的生理活动;
    药物在非靶组织中积累影响其在靶向组织的生理活性。  
     

免疫原性的毒性


对外源性dsRNA的先天免疫反应来源于细胞内PKr、toll样受 体3(toll-like receptor 3,tLr3)和tLr7的感应,伴随着技术的发展,现在可以通过 广泛的2’-MOE修饰在很大程度上避免了这个问题。

递送系统及辅料的毒性


辅料中化学物质的毒性作用已经困扰了基于纳米颗粒递送系统的药物开发,并且可能是导致许多相关候选药物剂量限制毒性的主要原因, 临床试验表明触发因素可能直接来自辅料成分或辅料代谢分解,后者会随着时间的 推移而发生变化。

此外,当细胞毒性确实发生时,难以确定确切的毒性成分可能是另外一个主要的挑战。目前,临床中研究的关键策略可能是将辅料限制在少量的化学成分中,这些化学成分单独验证是低毒性的,组装的纳米颗粒需要尽可能均匀, 对改善药物治疗窗口和降低毒性有密切相关性。

与此同时,纳米颗粒制剂可能会随 着时间的推移而降解,并导致毒性增加,对试验药物的持续质量监测很可能有利于未来的试验。最后,使用糖皮质激素和抗过敏药物进行预处理已经大大减轻了基于纳米颗粒递送系统药物的输液反应。

脱靶效应的毒性


虽然ASO与siRNA药物可以以特异性靶向靶基因,但非靶基 因的沉默也可能发生在药物活性成分和非靶向mRNA之间的种子区匹配中。

这一问题可以通过使用诸如Blast或者其他消除与靶基因有显著重叠的靶点等工具来筛选针对人类基因组序列的靶点来改善。然而,确保安全性的唯一方法是通过广泛的测试, 使用与人类有大量基因组序列重叠的灵长类模型是至关重要的。即使经过广泛的测试,一些脱靶效应可能是不可避免的,临床中的开发人员正试图通过最小化药物剂 量或使用新的碱基修改来避免这些问题。

非靶组织中累积的毒性


RNA靶向药物被系统地输送到体内后,会在许多非药物活性部位的组织中积累。

如今,RNA靶向药物开发者通过选择具有高度疾病选择性的基因作为沉默的靶标,以及通过选择减少非靶标组织中积累的递送系统和给药 路径缓解这些问题。未来对RNA靶向药物的组织特异性靶向的改进可能会缓解这些限制,促进针对其他适应症开发的进展。

RNA靶向药物研发的另一个主要挑战是药代动力学方面的难题,系统性给药后首先在体循环中需要克服血清核糖核酸酶降解,使RNA药物跨越目标细胞的细胞膜, 随后完成内体逃脱以保证足够数量的RNA分子在进入细胞后发挥药理作用,这对于 药物的疗效影响深远。

伴随着技术的发展,一方面一些化学修改可以极大地提高代谢稳定性和PK属性,从而使得药物更为高效,目前FDA批准的所有ASO药物都进行了大量的化学修饰,而这些药物不需要额外的辅料,可以像小分子药物一样分配到 目标细胞以达到疗效;

另一方面,RNA靶向药物可以通过特定材料包封或偶联配体 以及通过病毒载体等递送系统进行给药,进而提升药物的靶向性与疗效。此外,像所有其他类别的药物一样,RNA疗法的靶向性和安全性是剂量依赖的。当使用更高或更大剂量的RNA靶向药物时,通常会观察到剂量受限的脱靶效应。

因此,除了设计最佳序列和使用适当的化学/自然修饰以避免或减少免疫原性和脱靶效应外,确定正确的剂量以达到治疗效果和安全性对RNA药物的开发是至关重要的。


 
 
稳定性化学修饰
 



对于RNA靶向药物而言,化学修饰(除了组织靶向配体)主要有两个基本功能:

首先,化学修饰可通过减弱细胞内源性免疫传感器对dsRNA的免疫反应,大幅提高 药物的安全性。

其次,通过增强RNA药物抵抗内源性内切酶和外切酶降解的能力, 大幅提升药物疗效。针对siRNA药物,化学修饰还可以增强其反义链对RISC负载的选择性,提高序列选择性以降低脱靶RNAi活性,改变物理和化学性质以增强递送能 力。

迄今为止,FDA批准的所有RNA靶向药物都是化学工程的RNA类似物,支持了化学修饰的效用。针对特定化学修饰类别的单链寡核苷酸只是在序列上有所不同,但都具有相似 的物理化学特性,因此具有共同的药代动力学和生物学特性。

然而,每个化学类别都是不同的,即使2’-甲氧基乙基(2’-MOE)与2’-甲氧基(2’-OMe)之间的细微修 改,也可能导致药效、药代动力学的重大变化。因此,精确定义RNA靶向药物的化 学性质是非常必要的。

具体化学修饰类型及其功效如下:


2’端核糖替代策略


寡核苷酸在核糖2’端的羟基(-OH)可以被MOE、OMe、F 等取代基替代,用于降低免疫原性、增加对核酸酶抗性、改善血浆的稳定性,从而延长了药物作用。

(1)2’-甲氧基乙基(2’-MOE):可以提高药物PK,清除半衰期 延长至2-4周,提高与靶向mRNA的结合能力以及效力,降低细胞毒性;

(2)2’-甲 氧基(2’-OMe):可以提高药物PK和稳定性,适度的提高效力与降低免疫原性;

(3) 2’-氟(2’-F):可提高药物与靶向mRNA的结合能力但不能提高稳定性与PK,更适 用于RISC机制的siRNA药物,其修饰的核苷酸代谢物存在整合宿主细胞DNA或RNA 的可能性,可导致部分核蛋白降解。

在实际应用中,核糖2’端的修饰与RNase H活性不兼容,这意味着它们通常用于空间位阻型的ASO或用于Gapmer ASO的侧翼序列(如Mipomersen、Inotersen 在侧翼序列中引入了2’-MOE修饰)。

此外,2’-MOE修饰通常不被纳入siRNA设计中, Ago2的结构要求限制了可以使用的化学修饰类型,2’-MOE被证明对RNase H活性 的ASO非常有用,但不支持与Ago2结合的siRNA。


5’端核酸碱基修饰策略


5’-Methylcytidine(甲基胞苷)与5’-Methyluridine(甲 基尿苷)修饰可以提高药物与靶mRNA的结合能力,降低免疫原性,但仅用于杂环修饰。嘧啶甲基化可提高每一修饰的寡核苷酸熔解温度约0.5℃,提高药物与靶 mRNA的结合能力和稳定性,通常被应用于ASO药物中(如Ionis制药公司正在开发的ASO药物均有所使用)。

核糖骨架修饰策略


寡核苷酸的磷酸二酯键可被硫代磷酸(PS)键所替代,即 核苷酸间磷酸基的一个非桥接氧原子被硫取代,已经被广泛应用于RNA靶向药物的开发。

PS核糖骨架是一种非常有效的修饰,具有核酸酶抗性和促进与血浆蛋白质结 合的双重作用,从而减少肾脏清除率,增加药物的体内循环时间、改善药物的药代 动力学,药物的清除半衰期提升至1-3天。PS核糖骨架支持多种作用机制的RNA靶向药物,尤其在Gapmer ASO和 GalNAc siRNAs应用中效率较高。

PS核糖骨架修饰在ASO设计中易于耐受,且不破 坏RNase H活性,大部分已经上市的ASO药物中均有使用,在系统性给药后可被大 多数细胞吸收,不需要靶向配体。相比之下,在每个连锁位点上都含有PS修饰的 siRNA活性低于等效磷酸二酯(PO)siRNA,因此如果含有PS修饰的siRNA通常只 在末端被修饰(如已获批上市的Patisran)。

在RNA靶向药物中增加使用PS修饰的一个缺点是,每个PS修饰都会引入一个 具有两种可能手性取向的立体中心,因此具有n个PS修饰的寡核苷酸是2n个外消旋 体的混合物。

这两种取向具有明显不同的药代动力学和药效学性质,虽然Sp取向的 PS键对核酸酶裂解有更好的抵抗能力,但与Rp取向相比,它们也倾向于减少对碱基 的侧边碱基的溶解温度,降低稳定性。由于分子的异质性往往对其临床开发有害, 未来的RNA靶向药物可能会从最近开发的PS修饰寡核苷酸立体选择性合成技术中 受益,如Wave Life Sciences已经开发了一种可扩展的方法来合成在每个PS链上具 有固定立体化学的寡核苷酸,并正在开发具有固定立体化学的寡核苷酸药物用于各 种适应症。

PS修饰另一个缺点是它们降低了寡核苷酸对其靶标的结合亲和力,这一 限制可以通过合并其他类型的修饰来弥补 值得注意的是,PS修饰提升药物对细胞核酸酶的耐药性,这会导致药物组织滞 留和持久的药物作用,为应对例如由于长时间基因沉默而产生的毒性等不良反应, 一个或多个PO键的结合可以通过降低其核酸酶的稳定性来调节寡核苷酸的耐久性。


2’端核糖修饰以及核苷酸桥连策略


核苷酸桥接(BNAs)是通过在核苷酸的第 2和第4个碳原子之间的桥连而被限制在固定构象中,最常用桥连策略是LNA、cEt、 ENA。BNAs增强了药物对核酸酶的抗性以及对靶mRNA的亲和力(在LNA中,每个 修饰过的核苷酸的熔解温度增加3~8℃)。

虽然BNA修饰的核苷酸与RNase h并不相 容,然而BNA修饰可被纳入Gapmer ASO的侧翼区域或也可被用于空间位阻的ASO 中以改善靶标结合。值得注意的是,LNA修饰的RNA靶向药物在部分临床中观察到 了肝毒性与肾毒性,增加了序列相关的风险,后续需继续关注。


其他修饰策略


吗啉代寡核苷酸(PMO)是一类功能强大的合成寡核苷酸类似 物,在核酸药物发展史上属于第3代反义寡核苷酸,PMO的电中性吗啉结构使其具 有结合亲和性高和抗酶解稳定性强的特点。

到目前为止,已经有两种PMO修饰的药 物(Eteplirsen和Golodirsen)已经被FDA批准上市。PMO具有高稳定性和安全性的特点,由于在生理pH值下是中性的,不支持RNase H1活性,因此它们主要用于空间位阻机制的药物。PMO修饰的一个缺点是 其缺乏与白蛋白结合能力导致较低的PK特性,这意味着可以通过肾脏排泄迅速清除 导致疗效较低,因此需加大药物剂量。

值得注意的是,PMO主链包含手性中心,这 意味着PMO药物必然是外消旋的混合物。与上述PS修饰不同的是,迄今为止还没有 研究过定义PMO立体化学的影响。


递送系统

 


不管化学修饰如何,RNA靶向药物的大小、亲水性和电荷对体循环、组织外渗、 细胞摄取和内体逃逸都对药物开发构成了另外的挑战.

因为核酸药物需要进入细胞内并完成内体逃脱才能发挥药理作用。为了克服核酸药物的细胞摄取与内体逃脱效 率低等障碍,递送系统对于提升药物靶向性和生物利用度是必要的。

目前,针对RNA 靶向药物开发的递送系统主要包括脂质纳米颗粒(LNPs)、聚合物、核酸纳米结构、 外泌体等,RNA靶向药物也可以共价结合到特定的配体上。范围从相对较小的分子 (如适配体、GalNAc等)到大分子(如多肽、抗体等Bioconjugation),配体定向输送有望改善针对特定类型细胞的靶向性。


脂质纳米颗粒(LNPs)


最初是作为siRNA药物在体内的递送系统而开发的, LNPs 是一种复杂的结构(~100 nm),也被用于在体内传递mRNA等大RNA分子。

LNPs在临床应用的缺点是其传递主要局限于肝脏和网状内皮系统,因为该组织的窦状毛细血管上皮提 供了足够大的空间,允许这些相对较大的纳米颗粒进入,此外LNPs的局部递送已被成功地用于将siRNA递送到中枢神经系统。LNPs可以被多肽、PEG或其他赋予细胞特异性靶向的配体进一步功能化。

然而, 值得注意的是,LNPs复杂性的增加会使其制造复杂化并可能增加其毒性,这是一个 可能限制其临床应用的主要问题。例如,LNPs包裹的siRNA药物(如Patisiran)在 静脉注射以前需要用类固醇和抗组胺药进行预处理,以消除不必要的过敏反应。

此外,生物可降解的离子化脂类可能在未来2~5年内进入临床前开发阶段,有望大幅提升药物的耐受剂量。

GalNAc


是核酸药物靶向肝细胞应用最为广泛的配体,目前在临床试验中大约有三分之一的 RNA靶向药物是与多价GalNAc配体结合的,靶向肝细胞表面的脱唾液酸糖蛋白受体 (ASGPRs),大幅提升了核酸药物的靶向性和生物利用度。

肝实质细胞表面高水平表达三聚体ASGPRs,在中性pH下ASGPRs可以特异 性与GalNAc结合,并在酸性环境(pH值5~6)时释放GalNAc,随后释放出来的 ASGPRs可以被回收到细胞表面进行重用。

因此,肝脏的适宜生理条件、ASGPRs 的独特特性、GalNAc配体的无毒性质和偶联的简便性使其成为一种接近理想的全身核酸药物递送到肝细胞的方法。

此外,GalNAc结合的寡核苷酸可以通过SC(表皮和真皮以下的脂肪组织)注 射实现高效给药。皮下注射的药物释放到体循环的速度较慢,也可以进入淋巴系统, 这给细胞受体更多的时间来调节吸收,同时皮下注射也更加快捷和容易,减少了治 疗负担。

更重要的是,目前临床上GalNAc结合的寡核苷酸药物相关的皮下给药相关局部不良事件发生率较低,而且额外安全性和耐受性将明显支持更少的每周一次给药,这是与LNPs递送系统的比较优势。

适配体


治疗性寡核苷酸与核酸适配体的偶合也被用于增强siRNA和ASO靶向递送。适配体可以被认为是化学抗体,而且可以被设计成小的纳米结构(约20nm),这意味着肝外传递是可能的。

目前,国内景泽生物正在开发基于 DNA四面体框架核酸载体平台,用于寡核苷酸、小分子等药物的递送。 其他多种递送系统也在临床中开发中,本文未一一罗列。

结语

 


通过特定的化学修饰可提高药物安全性、代谢稳定性、靶向性、结合亲和力和沉默效果,大幅拓展了药物的治疗窗口,因此化学修饰的绝对必要性在RNA靶向药物的临床开发早期挫折中已经得到了充分证明。


递送系统是限制全球RNA靶向药物发展的主要瓶颈,脂质纳米颗粒(LNPs) 与N-乙酰基半乳糖胺(GalNAc)已经在获批上市的核酸药物中得到了验证,其他多种递送系统的开发也在临床中正在进行验证。

声明:以上内容仅供参考,不构成投资/用药建议。


相关阅读:RNA靶向药物|浪潮巨幕,群雄诸起!

— THE END —



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关键词:
siRNA,寡核苷酸,药物,生产,核酸

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