RNA疗法的历史、现状与未来展望

RNA疗法是指基于RNA分子的疾病预防或治疗策略。新冠mRNA疫苗的成功研发引发了人们对RNA治疗领域的持续关注。本综述介绍了RNA研究中若干重要历史发现及其对RNA治疗发展的影响,以及RNA治疗的优势。此外,还介绍了RNA治疗的作用机制和已获批的药物。最后,讨论了RNA药物运输至靶器官和细胞的方法。预计RNA治疗未来将进一步发展并在新药开发中发挥重要作用。

图1 RNA生物学重要历史发现及RNA治疗的重大研究进展

01
RNA的研究历史

RNA研究中的若干重大发现使RNA疗法成为人类疾病治疗中不可或缺的技术(图1)。最早Crick在“分子生物学的中心法则”中将RNA描述为基因信息流动的关键角色,并通过mRNA的发现得到证实,强调了这些分子在基因信息翻译中的“信使”作用。早期的RNA学者并不相信RNA可以产生双螺旋结构。

1956年,Rich和Davies通过实验证明RNA可以根据碱基互补配对形成与DNA相似的双链结构。该成果为1993年发现microRNAs、1998年发现RNA干扰奠定了基础。1978年Stephenson和Zamecnik首次开展治疗性实验,他们设计了一种针对劳斯肉瘤病毒35S RNA序列的反义寡核苷酸来抑制病毒复制。大约20年后,第一种使用反义寡核苷酸的药物被FDA批准用于治疗巨细胞病毒性视网膜炎。

与基于反义寡核苷酸(ASO)的药物的漫长开发历史相比,小干扰RNA(siRNA)的发现到应用时间相对较短。1998年人们首次证明了用正义和反义RNA混合处理秀丽线虫胚胎可以有效并特异地抑制特定内源mRNAs,从而发现RNA干扰(RNAi)现象。由于RNAi简单而又强效,很快便得到广泛应用。2010年针对核糖核苷酸还原酶M2亚单位的siRNA第一次进入临床试验,被用于治疗黑色素瘤。第一个用于遗传性甲状腺素转运蛋白相关淀粉样变性患者的siRNA药物于2018年获批。

上世纪90年代人们尝试引入外源mRNA来制造特定蛋白。1990年,Wolff和同事将带有报告基因的mRNA直接注射到小鼠的骨骼肌中,发现了这些组织中有持续的基因表达。1993年人们首次尝试将mRNA做成疫苗,研究人员将mRNA封装到脂质体中,并注射到小鼠体内,实验结果证明它们能够诱导机体产生T淋巴细胞。Conry等人于1995年设计了第一个用于治疗癌症的mRNA疫苗。2008年,Weide和同事报道了他们在转移性黑色素瘤患者中使用mRNA疫苗的临床试验的第一批结果。

首个针对传染病的mRNA疫苗的临床试验(NCT02241135)于2013年进行,证实mRNA疫苗能够激发细胞免疫,从而起到保护作用。2020年,首个针对呼吸系统新型冠状病毒(SARS-CoV-2)的mRNA疫苗在全球多个国家获批。

02
RNA疗法的优势

RNA药物具有广泛的优点,是开发各种新型治疗策略的理想候选药物。

可以靶向难以给药的靶标

其中最大的优势之一是它们几乎能够针对细胞内任何组分,其中许多可能被认为是无法通过其他技术给药治疗的靶标(图2)。研究表明,只有不到三分之一的人类蛋白质可以有效地被小分子靶向。人类基因组中非编码RNA的数量比蛋白质还多[1],它们在各种人类疾病的发病机制中起着重要作用[2-4]。在针对非编码RNA时,包括反义RNA和siRNA在内的RNA药物可能是最有效的,这就为RNA药物研发提供了广阔空间。

图1 RNA生物学重要历史发现及RNA治疗的重大研究进展

01
RNA的研究历史

RNA研究中的若干重大发现使RNA疗法成为人类疾病治疗中不可或缺的技术(图1)。最早Crick在“分子生物学的中心法则”中将RNA描述为基因信息流动的关键角色,并通过mRNA的发现得到证实,强调了这些分子在基因信息翻译中的“信使”作用。早期的RNA学者并不相信RNA可以产生双螺旋结构。

1956年,Rich和Davies通过实验证明RNA可以根据碱基互补配对形成与DNA相似的双链结构。该成果为1993年发现microRNAs、1998年发现RNA干扰奠定了基础。1978年Stephenson和Zamecnik首次开展治疗性实验,他们设计了一种针对劳斯肉瘤病毒35S RNA序列的反义寡核苷酸来抑制病毒复制。大约20年后,第一种使用反义寡核苷酸的药物被FDA批准用于治疗巨细胞病毒性视网膜炎。

与基于反义寡核苷酸(ASO)的药物的漫长开发历史相比,小干扰RNA(siRNA)的发现到应用时间相对较短。1998年人们首次证明了用正义和反义RNA混合处理秀丽线虫胚胎可以有效并特异地抑制特定内源mRNAs,从而发现RNA干扰(RNAi)现象。由于RNAi简单而又强效,很快便得到广泛应用。2010年针对核糖核苷酸还原酶M2亚单位的siRNA第一次进入临床试验,被用于治疗黑色素瘤。第一个用于遗传性甲状腺素转运蛋白相关淀粉样变性患者的siRNA药物于2018年获批。

上世纪90年代人们尝试引入外源mRNA来制造特定蛋白。1990年,Wolff和同事将带有报告基因的mRNA直接注射到小鼠的骨骼肌中,发现了这些组织中有持续的基因表达。1993年人们首次尝试将mRNA做成疫苗,研究人员将mRNA封装到脂质体中,并注射到小鼠体内,实验结果证明它们能够诱导机体产生T淋巴细胞。Conry等人于1995年设计了第一个用于治疗癌症的mRNA疫苗。2008年,Weide和同事报道了他们在转移性黑色素瘤患者中使用mRNA疫苗的临床试验的第一批结果。

首个针对传染病的mRNA疫苗的临床试验(NCT02241135)于2013年进行,证实mRNA疫苗能够激发细胞免疫,从而起到保护作用。2020年,首个针对呼吸系统新型冠状病毒(SARS-CoV-2)的mRNA疫苗在全球多个国家获批。

02
RNA疗法的优势

RNA药物具有广泛的优点,是开发各种新型治疗策略的理想候选药物。

可以靶向难以给药的靶标

其中最大的优势之一是它们几乎能够针对细胞内任何组分,其中许多可能被认为是无法通过其他技术给药治疗的靶标(图2)。研究表明,只有不到三分之一的人类蛋白质可以有效地被小分子靶向。人类基因组中非编码RNA的数量比蛋白质还多[1],它们在各种人类疾病的发病机制中起着重要作用[2-4]。在针对非编码RNA时,包括反义RNA和siRNA在内的RNA药物可能是最有效的,这就为RNA药物研发提供了广阔空间。

表1 RNA药物类型

反义寡核苷酸(Antisense oligonucleotides, ASOs)

反义寡核苷酸通过序列靶向结合来调节目标RNA的表达,经化学修饰后,靶向特异性和稳定性均获提升。首个反义寡核苷酸药物Fomivirsen于1998年获得FDA批准,被用于治疗巨细胞病毒视网膜炎。

已获批准的反义寡核苷酸药物根据其机制可分为两大类(图3a)。第一类是通过结合目标序列,诱导目标mRNA的降解。该降解机制依赖的RNaseH在细胞核和细胞质中都有活性,所以这些药物也可用于靶向非编码序列[5,6];第二类ASOs药物主要通过一种基于空间阻碍的机制,从而调节前体mRNA的可变剪切(图3a)。该类ASOs可以用于治疗各种遗传病,已获FDA批准的该类ASOs药物包括nusinersen、eteplirsen和golodirsen。

脊髓肌肉萎缩症是一种罕见的神经肌肉疾病,患者在SMN1基因中有突变,这些突变阻碍SMN1基因表达功能蛋白。Nusinersen促使SMN2前体mRNA像SMN1前体mRNA一样剪切,产生更稳定的SMN蛋白,从而达到治疗目的(图3c)。Eteplirsen和Golodirsen是用于治疗严重的杜氏肌萎缩症(DMD)的ASOs药物。Eteplirsen结合外显子51中的外显子剪接增强子,实现外显子跳跃,并产生截短但有功能的蛋白(图3d)。Golodirsen使用类似的机制诱导外显子53跳跃,在不同的DMD患者中产生有功能的蛋白质。

图3 ASOs作用机制及获批药物

小干扰RNAs(Small interfering RNAs,siRNAs)

siRNA利用内源性RNAi途径来调节目标RNA的表达。在哺乳动物细胞中,内源性小RNA与Ago蛋白形成复合物,产生一个RNA诱导的沉默复合物(RISC),通过序列特异性结合,抑制它们的靶mRNA的表达。siRNA药物利用相同的机制产生类似的效果(图4a)。

迄今为止,已有三种基于siRNA的药物获得美国FDA批准,它们分别是patisiran、givosiran和lumasiran。Patisiran于2018年成为首个获批的siRNA药物,用于治疗遗传性转甲状腺素介导的(hATTR)淀粉样变性(图4b)。Givosiran是美国FDA批准的第二种siRNA,用于治疗急性肝性卟啉症(图4c)。Inclisiran是美国FDA在2021年批准的,用于治疗原发性高胆固醇血症或混合型血脂异常的药物,可以用于治疗常见病的广泛群体。预计未来将有更多siRNA基因靶向治疗方案出现。

图4 siRNA作用机制及获批药物

适配体(Aptamers)

适配体是一种核酸结构,旨在结合特定的蛋白质,以调节其功能(图5a)。迄今为止,只有一种基于RNA的适配体药物Pegaptanib获得美国FDA批准。Pegaptanib是一种由28个核苷酸组成的序列,两端附有两个聚乙二醇(PEG)基团,被用于治疗湿型(新生血管型)年龄相关性黄斑变性[7]。目前有多种RNA适配体处在研发阶段,预计未来将有更多的配体药物问世[8,9]。

图5 Aptamers作用机制及获批药物

信使RNA(mRNA)

外源mRNA进入细胞同样可以被翻译成功能性蛋白质,并起到治疗作用。这些mRNA通过体外转录合成,并在5’端加上帽子结构,使得细胞内的翻译机制能够识别它们。较长的RNA序列往往会引发Toll样受体介导的免疫反应,该机制限制了mRNA的早期临床应用,而Kariko和Weissman发现,通过将mRNA修饰为假尿苷可以减弱免疫反应。

mRNA治疗根据目的可以分为两大类(图6a)。第一类是将外源性mRNA引入细胞中,以替代或补充内源性蛋白质(图6b)。例如,有研究人员使用表达MUT基因的mRNA,治疗小鼠中由于MUT酶缺陷而引起的甲基丙二酸血症;第二类是设计mRNA转录本,作为预防传染病或癌症抗原的疫苗(图6c)。例如早先提到的mRNA狂犬病疫苗[10],以及几种针对RNA病毒的mRNA疫苗,包括目前正在开发的针对流感病毒的mRNA疫苗[11]。

mRNA疫苗也可以作为针对特定肿瘤的个性化药物。在这种情况下,临床医生可以将特定的肿瘤突变纳入mRNA转录本中,诱导特定的免疫反应,以攻击表达这些抗原的细胞,从而在体内有针对性地摧毁这些细胞。

图6 mRNA结构及工作机制

04
RNA递送方式

药物的递送仍然是RNA疗法面临的难点之一。目前有三类主要递送方式:连接修饰基团、脂质纳米颗粒封装递送,以及不加修饰的直接递送(图7)。

图7 RNA药物的3种递送方式及各类药物给药方式

连接GalNAc基团靶向肝脏递送

3’末端连接GalNAc基团的siRNA(如givosiran和inclisiran)可以被肝细胞去唾液酸糖蛋白受体识别,从而实现肝脏的靶向递送。Alnylam公司开发了第一个用于治疗淀粉样变性的siRNA药物patisiran,该药物使用LNP进行递送。该公司现在正在测试他们的新siRNA药物vutrisiran,该药物改用GalNAc的递送方式治疗同一疾病[12]。目前还没有其他采用类似递送方式的RNA药物在研或获批,此类递送方式仍需更多研究。

脂质纳米颗粒包裹递送

使用脂质纳米颗粒(LNPs)封装RNA可以有效地保护其免受核酸酶降解。但是,LNPs本身可能具有毒性,并可能引起免疫刺激副作用。因为脂质体主要在肝脏或肾脏中运输和清除,因此将RNA输送到其他器官治疗酶缺陷就比较困难。这是目前许多RNA治疗方法专注于肝肾疾病的原因之一。因此,未来该领域应该重点解决其他器官和细胞的药物递送难题。

RNA直接注射递送

许多研究评估了在适当条件下将裸RNA直接注射的药物递送方案。这方面的案例包括通过鞘内注射给药的nusinersen和通过玻璃体内注射给药的pegaptanib(图7b)。因为直接将药物注入目标器官内,使它们不太可能被肝脏或肾脏过滤或消除。这种给药方法对于一些眼睛和神经系统疾病的治疗可能是可行的。

本文介绍了RNA药物在治疗各种疾病中的实际应用,尤其是可以用于其他药物难以用药的疾病治疗。可以个性化定制是RNA药物的一大优势,这使罕见病的高效治疗成为可能。

此外,高效的mRNA疫苗在预防新冠肺炎防控方面大获成功,突显了RNA药物在疾病防控方面的巨大潜力。RNA药物具备众多优点(可以靶向广泛的基因和位点、能快速高效的生产、药效长、对罕见疾病的有用性和降低基因毒性风险),也存在明显瓶颈(靶向递送受限)。随着RNA治疗技术的进步,预计未来会开发出更多种类的RNA药物和药物递送方法。

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