RNA 治療的優(yōu)勢、作用機制和小核酸藥物的應用

傳統(tǒng)的藥物主要作用于相應的分子靶點 (如激酶、受體、離子通道和轉運體等蛋白質靶標)、生物學途徑或細胞過程，從而達到治療疾病的藥理作用。小分子化合物和抗體是當前醫(yī)療用藥的主要形式和藥物開發(fā)的方式。但是只有 10-14% 的蛋白質可以成為小分子化合物或抗體的作用靶點。這限制了小分子化合物和抗體在藥物開發(fā)中的可能性。 

 

圖 1. 小核酸藥物的發(fā)展歷程

然而 RNA 治療有望擴大藥物靶點的范圍，包括傳統(tǒng)蛋白質和以前無法成為藥物靶點的轉錄本和基因。與其他傳統(tǒng)藥物相比，核酸藥物表現出一些獨特的特征 (見圖 2)。例如，核酸藥物通常以注射的方式給藥，而且在體內多次循環(huán)使用使得給藥頻次更低。此外，核酸藥物還具有生產制備工藝相對簡單和研發(fā)周期短 (不需要大規(guī)模的藥物篩選過程) 的優(yōu)勢。

 

圖 2. 小分子化合物、抗體、蛋白質替代治療和 RNA 治療的特征

 

RNA 治療包括使用可編碼 RNA (如 mRNA) 和非編碼 RNA (如小干擾 RNA (siRNA)、microRNA (miRNA)、反義寡核苷酸 (ASO)、核酸適配體 (aptamer)、核酶 (ribozyme) 和引導 RNA (guide RNA (gRNA) 等)。這些核酸具有不同的結構特點和作用機制。

 

圖 3. 不同類型核酸的結構特點和作用機制

 

ASO、siRNA 和 miRNA 通過堿基互補配對原則靶向 mRNA 或 pre-mRNA，通過基因沉默抑制靶蛋白的表達從而實現治療疾病的目的。mRNA 分子進入細胞然后翻譯成目標蛋白質，可以用于蛋白質替代治療或疫苗接種。

 

核酸適配體通過其獨特的三級結構而不是其序列與靶蛋白結合。

CRISPR/Cas9 系統(tǒng)由 Cas9 蛋白和引導 RNA 兩種分子組成 (“魔剪” CRISPR/Cas9，你 get 到了嗎?)。Cas9 蛋白被引導 RNA 分子所激活，發(fā)揮識別和切割基因組 DNA 的功能。核酶是具有催化活性的 RNA，可降解特異的 mRNA 序列。

 

ASOs 可以調節(jié) RNA 拼接，抑制 mRNA 翻譯。miRNA 和 siRNA 抑制翻譯導致 mRNA 降解。RNA適配體抑制蛋白質活性。IVT mRNA被翻譯成宿主蛋白，在細胞內充當抗原或替代蛋白。

 

利用具有特定序列的核酸作為藥物打破了傳統(tǒng)藥物治療方法只能作用于靶蛋白的方式。這些核酸藥物的候選靶點豐富，適應癥分布廣。 目前，已獲批上市的核酸藥物的適應癥大多集中于罕見病 (如用于治療脊髓性肌萎縮癥的 Nusinersen (修飾 SMN2 基因的前信使 RNA 剪接，從而促進全長 SMN 蛋白的生成，用于治療脊髓性肌萎縮癥) 。用于治療急性間歇性卟啉癥的 Givosiran，用于治療 1 型原發(fā)性高草酸尿癥的 Lumasiran 和用于治療杜氏肌營養(yǎng)不良癥的 Viltolarsen (這幾個是已經 FDA 批準的么？  其他用于罕見病治療的核酸藥物在我們之前的文章 “罕見病，其實并不罕見” 中有詳細的介紹)，后續(xù)有望逐漸向腫瘤、神經疾病和代謝疾病等治病領域拓展 (見圖 5)。
 

 

 圖 5. 處于研發(fā)階段的核酸藥物

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除了將核酸作為藥物用于治療疾病，科研人員也在嘗試開發(fā)靶向 RNA 的小分子化合物。RNA 可以被折疊成二級 (如螺旋、莖、環(huán)和凸起)、三級 (如結、假結和基序) 和四級 (如復合體) 結構，因此，小分子化合物有可能直接與 RNA 獨特的高級結構而不是序列相互作用。以 rRNA 為靶點的新型合成抗生素 (如酮內酯 Telithromycin)，靶向核糖體的 Ataluren (用于杜氏肌營養(yǎng)不良治療)，以及靶向 SMN2 pre-mRNA 的 Risdiplam (用于治療脊髓性肌肉萎縮癥) 等藥物都已獲批用于治療。

 

盡管核酸藥物具有很好的治療，但也面臨一些挑戰(zhàn)。由于核酸通常分子量較大 (單鏈ASOs ~4 - 10kda，雙鏈siRNA ~ 14kda)，且攜帶負電荷，所以很難有效地進入細胞。此外，裸的核酸在血液中容易被核酸酶降解，還能激活一些免疫識別受體如TLR3/7/8。這些因素限制了核酸藥物的的治療潛力。

 

為了克服核酸遞送的障礙，科學家們已經開發(fā)了基于病毒載體和非病毒載體的傳遞系統(tǒng)(脂質體)，以保護寡核苷酸不被降解，最大限度地傳遞到靶細胞。脂質納米顆粒通常由陽離子脂質、膽固醇、PEG化脂質和磷脂組成，有助于掩蓋核酸攜帶的電荷，保護其不被核酸酶降解。化學修飾同樣可以幫助提高核酸遞送的遞送效率。2'化學修飾（2'-F、2'-OMe和2'-MOE等）的摻入大大提高了核酸的穩(wěn)定性和整體半衰期。

 

‍不過值得注意的是，與蛋白質不同，RNA 與 DNA 密切相關。許多最初設計和識別的 RNA 的化合物后來被知道會作用于其他靶點 (例如，直接與 DNA 結合)。因此，在開發(fā) RNA 靶向的小分子化合物時，結構優(yōu)化是必要的，以提高對 RNA 靶點的選擇性。‍‍‍‍‍‍‍‍ 

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參考文獻
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