Nature Reviews｜RNA疗法的创新发展和新兴技术

1978年，Zamecnik 和 Stephenson首次描述了使用合成寡核苷酸通过 RNA 的 Watson-Crick杂交来改变蛋白质表达。在此基础上，经过多年的核酸药物化学研究，RNA靶向药物（RTD）已成为制药行业中非常活跃的药物设计和开发领域。

然而，由于裸RNA的不稳定性和阻碍RNA进入细胞的生物屏障的存在，在临床上实现RNA疗法的广泛应用仍然具有极大的挑战性。尽管在开发基于RNA 的疗法方面存在诸多难点，但科学家们已经探索了各种技术来促进RNA细胞内运输和代谢稳定性。

在这里，我们将对目前RNA疗法的创新发展和新兴技术进行总结。

图1 RNA靶向领域的主要发展[1]

一颗草莓 | 作者      

医药学术 | 来源      

Dara | 编辑            

01 RNA疗法的类型和作用方式          

1、反义核苷酸(ASO)

ASO是一种单链寡核苷酸分子，通过Watson-Crick碱基配对原则在细胞内与靶mRNA结合。ASO主要通过两种机制调节靶基因的表达：①ASO药物与靶mRNA结合后，在Rnase H1（主要方式）或核酶的作用下促使mRNA降解，从而抑制蛋白表达，这种机制也被称为酶促RNA降解；②ASO在没有特定酶帮助的情况下，通过改变RNA剪接模式，控制目的蛋白的表达，这种机制又被称为空间位阻机制。

2、RNA干扰(RNAi)

RNAi 疗法利用基因沉默的原理，可以进一步分类为利用小干扰 RNA (siRNA) 或 microRNA (miRNA) 的治疗剂。双链siRNA分子通过Watson-Crick碱基配对原则将RISC招募到mRNA中抑制蛋白质的翻译。miRNA是单链非编码RNA，通过与特定RNA序列（通常是3’UTR）进行碱基配对，在其诱导的沉默复合体miRISC中引起mRNA 翻译抑制或降解。

3、基于CRISPR的基因组编辑

原核生物衍生的 CRISPR 相关蛋白(Cas)系统已广泛用于哺乳动物细胞和生物体中。在该系统中，Cas蛋白和sgRNA结合形成复合体，识别并切割靶序列，进行精确有效的基因组编辑。

4、核酸适配体（Aptamer）

Aptamer是一段结构化的寡核苷酸序列，可特异性结合并抑制蛋白质的表达，通常利用体外筛选技术SELEX获取。由于它们的合成方式与抗体相似，也被称为化学抗体。基于Aptamer的治疗主要包括：①使用Aptamer破坏疾病相关靶标之间的相互作用；②使用细胞特异性Aptamer作为载体递送其他治疗剂至靶细胞或靶组织。

5、mRNA药物

mRNA编码药物的概念与1990年被提出[1]，研究者将体外合成（IVT）的mRNA直接注射到小鼠骨骼肌中，发现其编码的蛋白质在骨骼肌中表达。IVT mRNA的临床前研究促进了mRNA疫苗的临床开发。mRNA 疫苗被递送到宿主细胞后被翻译成靶向抗原，进而激活机体免疫反应。在癌症及传染病治疗领域显示出巨大的潜力。

图2 各类RNA疗法的作用机制图

02 RNA药物的化学修饰          

ASO 和 siRNA主要是在磷酸骨架、核糖环、3'- 和 5'- 末端进行化学修饰，提高其底物特异性和核酸酶抗性，并降低其毒性和免疫原性。例如，siRNA 2'-F 和2'-O-Me 修饰可以帮助其对抗RNases，并防止 siRNAs 激活先天免疫受体（TLR、MDA-5 和 RIG-I）。

mRNA疫苗的优化主要在5′cap structure, ORF, flanking 5′ 3′-UTRs ，3′-poly (A) tail五个位置上进行，通过序列优化、核苷修饰或UTR的序列替换，增强RNA的翻译能力。

图3 RNA药物常见的化学修饰

03  纳米颗粒药物递送系统在RNA疗法中的应用          

由于治疗性RNA 携带有大量负电荷和化学修饰，因此需要开发一种有效的载体来保护RNA免受生理环境的影响[3]。

1、脂质纳米颗粒（LNPs）

LNPs 是最广泛使用的递送寡核苷酸药物的载体。 FDA批准的LNPs包含四种基本成分：阳离子或离子化脂质、胆固醇、辅助性脂质和PEG-脂质。选择性器官靶向(SORT)技术可以通过将SORT分子添加到 LNPs 中来特异性靶向肝脏和肝外组织（肺和脾脏）。这种技术可以在特定组织中进行 mRNA 递送和 CRISPR-Cas 基因编辑[4]。

图4 脂质纳米颗粒的结构

2、聚合物纳米颗粒

聚乙烯亚胺 (PEI) 聚合物 家族是研究最广泛的用于核酸递送的聚合物材料，它们由可与 miRNA 或 siRNA 形成纳米级复合物的线性或支化聚阳离子组成。市售的线性 PEI 衍生物 jetPEI™ 广泛用于 DNA、siRNA 和 mRNA 转染。PBAE聚合物具有更好的生物降解性以及较低的细胞毒性，最近有研究者使用基于PBAE聚合物，通过雾化将Cas13a mRNA递送入小鼠呼吸道，用于治疗SARS-Cov-2 [5].

图5 聚合物纳米颗粒结构

04 FDA批准的RNA疗法          

Fomivirsen 是 FDA 批准的第一个 ASO 药物 ，用于治疗 AIDS 患者的巨细胞病毒视网膜炎。Mipomersen和Inotersen是第二代ASO药物，分别介导解ApoB和TTR mRNA的降解。

GalNAc–siRNA是糖类化合物与siRNA形成的单缀合物 ,只需要改变siRNA序列，就可用于治疗各种不同的疾病。目前，FDA已批准GalNAc-siRNA结合Givosiran治疗急性间歇性肝卟啉症（AHP），结合Lumasiran治疗原发性高草酸尿1型（PH1）。

Pegaptanib 是 FDA 批准的第一个靶向 VEGF 的Aptamer药物，用于治疗年龄相关性黄斑变性。

在COVID-19流行期间， mRNA疫苗已被证明对SARS-CoV-2有效。辉瑞–BioNTech公司的疫苗 BNT162b2 (Comirnaty ® )和Moderna公司的疫苗mRNA-1273 是 FDA 批准的两种 SARS-CoV-2 疫苗，在 III 期临床试验中有 >94% 的有效性。

结 语          

RNA药物在调节免疫反应和疾病相关蛋白表达方面的新兴应用，为生物医学研究提供了新的思路。小分子和抗体药物仅能靶向0.05% 的人类基因组，而RNA 可选择性地作用于蛋白质、转录物和基因，从而拓宽了药物靶点的范围。将RNA 化学修饰与纳米载体系统相结合可以提高 RNA药物递送的效率。未来，随着医药科技的不断进步，基于RNA的治疗方法有望得到更加多样化的发展。    

参考资料

1. Zhu Yiran,Zhu Liyuan,Wang Xian et al. RNA-based therapeutics: an overview and prospectus.[J] .Cell Death Dis, 2022, 13: 644.

2. Wolff J A,Malone R W,Williams P et al. Direct gene transfer into mouse muscle in vivo.[J] .Science, 1990, 247: 1465-8.

3. Paunovska Kalina,Loughrey David,Dahlman James E,Drug delivery systems for RNA therapeutics.[J] .Nat Rev Genet, 2022, 23: 265-280.

4. Dilliard Sean A,Cheng Qiang,Siegwart Daniel J,On the mechanism of tissue-specific mRNA delivery by selective organ targeting nanoparticles.[J] .Proc Natl Acad Sci U S A, 2021, 118: undefined.

5. Blanchard Emmeline L,Vanover Daryll,Bawage Swapnil Subhash et al. Treatment of influenza and SARS-CoV-2 infections via mRNA-encoded Cas13a in rodents.[J] .Nat Biotechnol, 2021, 39: 717-726.

声 明

文章内容仅供参考，不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担, 关于对文中陈述、观点判断保持中立，不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考，并请自行承担全部责任；本公众号发布的各类文章重在分享，如有侵权请联系我们，我们将会处理。   

打赏