RNA治療，新藥研發(fā)的另一種可能

文/胡瓏于 周琦凌

2018年8月10日，美國食品藥品管理局批準(zhǔn)首款小干擾核糖核酸（small interfering ribonucleic acid，siRNA） 藥 物Patisiran， 用于治療患有遺傳性轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣變性病（hereditary transthyretin-mediated amyloidosis，hATTR）的成年患者[1]，這使RNA藥物治療再次獲得廣泛關(guān)注。

其實(shí)，近幾年有多款反義寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）RNA藥物取得FDA上市批準(zhǔn)， 如Nusinersen、Eteplirsen和Mipomersen等。Moderna公司作為mRNA藥物研發(fā)的代表也獲得了資本市場的密切關(guān)注，迄今已融資逾18億美金[2]。

可以說，RNA 治療正逐步走向市場，并承載厚望。本文將簡明介紹RNA治療（RNA-based therapeutics）的作用機(jī)制及產(chǎn)業(yè)前景。

什么是RNA治療？

RNA治療是指基于RNA的靶向治療手段，藥物最終的靶點(diǎn)通常是特定的RNA序列，或者藥物本身就基于RNA的分子。

常見的RNA治療手段按分子類型和作用方式的不同可分為小干擾核糖核酸（smallinterfering RNA，siRNA）、微小核糖核酸（microRNA，miRNA）、反義寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）、適體（aptamer）和合成信使核糖核酸（synthetic mRNA）[3]。

RNA治療可以作用于靶向人和病毒的轉(zhuǎn)錄組、調(diào)節(jié)基因表達(dá)、改變mRNA剪切、靶向參與轉(zhuǎn)錄、以及通過表觀遺傳學(xué)途徑調(diào)控非編碼RNA和mRNA等。

圖1 細(xì)胞中的各種RNA分子和作用（圖片來源[4]）

圖1（原圖及說明引用自[4]）中展示了細(xì)胞中多種多樣的RNA分子。這些RNA分子在細(xì)胞中有著重要而廣泛的作用。除了直接參與蛋白質(zhì)合成的三種傳統(tǒng)類型的RNA（rRNA，tRNA和mRNA）外，許多小型非編碼RNA（＜200 nt）也參與了各種生物過程。這些過程包括參與前體mRNA剪接（pre-mRNA splicing）的snRNA、參與rRNA加工和修飾的snoRNA，參與基因翻譯調(diào)節(jié)的miRNA，參與RNA沉默（RNA silencing）和表觀遺傳學(xué)的PIWI RNA以及其他參與tRNA和rRNA成熟過程的小ncRNA，如RNase P和MRP RNA。此外，最近還發(fā)現(xiàn)大量長ncRNA（＞ 200 nt）在多種細(xì)胞過程中發(fā)揮重要作用。這些過程包括染色質(zhì)重塑（如Xist，HOTAIR）、轉(zhuǎn)錄（如asRNA，eRNA）、從細(xì)胞核中的RNA加工（如NATS）到翻譯（如-Uchl1）再到蛋白質(zhì)修飾（如NKILA）。而有毒RNA（如三核苷酸重復(fù)）的表達(dá)或由RNA編輯等導(dǎo)致的RNA突變也可以通過不同的方式引起疾病。

多種的RNA治療方案中最常見的機(jī)制是通過與目標(biāo)RNA進(jìn)行精確配對（ASO，siRNA）或者非精確配對（miRNA），導(dǎo)致目標(biāo)RNA的降解，剪切改變，或者無法正常翻譯，最終實(shí)現(xiàn)對致病蛋白的控制或者更改[4]。大部分的ASO、siRNA和miRNA本質(zhì)上都是這種作用方式。

文首提到的Nusinersen就是一款針對脊髓性肌萎縮癥患者的單鏈反義寡核苷酸──ASO藥物?；加屑顾栊约∥s癥的個(gè)體存在著突變或缺失的存活運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元1（survival motor neuron 1，SMN1）基因，因而不能產(chǎn)生足夠的SMN蛋白來維持運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的存活。低水平的SMN蛋白最終導(dǎo)致進(jìn)行性肌肉無力和消瘦（萎縮）。這種病一度無藥可救，直到Nusinersen的出現(xiàn)。Nusinersen調(diào)節(jié)SMN1的同族蛋白SMN2的剪切位點(diǎn)，在功能上將SMN2轉(zhuǎn)化為SMN1，從而提高SMN的蛋白水平，然后提高中樞神經(jīng)元的活力[5]。

除了調(diào)節(jié)RNA的剪切位點(diǎn)，更為常見的作用機(jī)制是通過RNA干擾的方式實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)mRNA的降解，或者阻斷其翻譯。RNA干擾是在細(xì)胞內(nèi)自然發(fā)生的過程，以阻斷某些基因的表達(dá)方式。幾乎所有的siRNA和miRNA以及RNA H介導(dǎo)型的ASO的作用機(jī)制都是基于RNA干擾[4]。如Alnylam公司的Patisiran、Lonis公司的Inotersen和Genzyme的Mipomersen。雖然這種作用機(jī)制很普遍，但這種機(jī)制只能用于調(diào)節(jié)（通常是降低）某個(gè)基因的表達(dá)量，在藥物開發(fā)的過程中比較受限。圖2（原圖及圖注引自[4]）展示了每個(gè)機(jī)制作用的具體方式。

圖2 常見調(diào)節(jié)基因表達(dá)的反義機(jī)制。（A-E）反義寡核苷酸雜交后通過兩種不同的機(jī)制調(diào)節(jié)基因表達(dá)：（1）酶促RNA降解和（2）占位機(jī)制。酶促RNA降解包括（A）類DNA反義寡核苷酸，其通過RNA酶H1觸發(fā)互補(bǔ)RNA的切割和（B）siRNA介導(dǎo)的通過Ago2-RISC通路減少互補(bǔ)RNA，和其他機(jī)制，如核酶降解。占位機(jī)制利用反義寡核苷酸與靶RNA堿基配對使得RNA不發(fā)生降解。這些作用包括但不限于：（C）用非DNA樣反義寡核苷酸調(diào)節(jié)剪接，以抑制或增強(qiáng)剪接位點(diǎn)的利用; （D）用非DNA樣反義寡核苷酸調(diào)節(jié)mRNA翻譯，以通過空間阻斷(steric blocking)抑制翻譯或通過與翻譯抑制元件結(jié)合激活翻譯; （E）通過與miRNA堿基配對抑制miRNA功能或通過與結(jié)合有miRNA綁定位點(diǎn)的mRNA的位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)消除特定miRNA效用的作用（圖片來源[4]）

在上市的RNA藥物中，適體的作用方式與其他RNA分子藥物不盡相同。適體是與特定靶分子結(jié)合的寡核苷酸或肽分子，又被稱為“化學(xué)抗體”，在功能上與傳統(tǒng)抗體相當(dāng)，但具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括它們相對小的物理尺寸，具有柔性結(jié)構(gòu)，能夠快速通過化學(xué)產(chǎn)生，具有多功能化學(xué)修飾，高穩(wěn)定性和缺乏免疫原性[6]。除此之外，適體還可與細(xì)胞受體結(jié)合后被內(nèi)化，在核酶組合以及其靶分子存在下自切割，使其成為小干擾RNA（siRNA），微小RNA（microRNA）和常規(guī)藥物的有用靶向遞送劑[7]。例如，2004年被FDA批準(zhǔn) 的Pegaptanib就是一種RNA適體，由28個(gè)核苷酸組成，治療新生血管性（濕性）年齡相關(guān)性黃斑變性（AMD）[8]。通過特異性結(jié)合165VEGF同種異型體，Pegaptanib能夠控制新血管的形成、增加血管的滲透性，從而治療這兩個(gè)主要病理過程導(dǎo)致的新生血管性黃斑變性[9]。

最后一大類RNA治療機(jī)制是直接引入mRNA，原則上，這種方式能夠引入任何蛋白，又不同于基于DNA的基因治療那樣永久不可變，降低了基因治療的安全性隱患，有很大的自由度和想象空間。這也是Moderna這類超高估值公司出現(xiàn)的原因。從用途上，mRNA 有兩個(gè)非常有吸引力的應(yīng)用方向，mRNA疫苗和治療不可靶向基因病。相對傳統(tǒng)蛋白制劑疫苗而言，mRNA疫苗有潛力將生產(chǎn)時(shí)間從數(shù)月縮短到數(shù)周，有更高的潛在迭代效率。這一特點(diǎn)在面對一些快速進(jìn)化的流行病時(shí)將顯現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)疫苗的隨病毒演化能力。除此之外，用mRNA 實(shí)現(xiàn)個(gè)性化癌癥疫苗也顯示出一定的可行性[10]。相對mRNA 疫苗而言，將mRNA用于治療罕見基因病的技術(shù)難度更高。除了要解決遞送問題，還要避免免疫原性，控制mRNA的蛋白翻譯效率等。目前，上述技術(shù)門檻正在逐一破解，如Moderna Therapeutics 開發(fā)了新型氨基脂質(zhì)體（amino lipids），因增加內(nèi)體逃逸效率，從而提升了脂質(zhì)納米顆粒的mRNA遞送效率[11]。一些引人注目的臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行。如，用編碼血管內(nèi)皮生長因子 （vascular endothelial growth factor，VEGF） 的mRNA產(chǎn)生足夠的蛋白來幫助心臟病人患病后修復(fù)和維系健康。目前，該研究已進(jìn)入臨床二期試驗(yàn)。 另一個(gè)例子是Translate Bio 公司正在研究的用編碼囊性纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)節(jié)因子（CFTR）來治療囊性纖維化，旨在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生完整功能的CFTR蛋白，從而治愈囊性纖維化。該研究也進(jìn)入了臨床一期。未來，更多的mRNA治療方案或?qū)⒃谂R床試驗(yàn)中證明其有效性和安全性[12]。

RNA治療的產(chǎn)業(yè)前景

RNA治療機(jī)制不同于傳統(tǒng)的化學(xué)合成小分子藥物和大分子生物藥，也不同于基于DNA的基因治療。RNA 治療將重點(diǎn)放在數(shù)量更多、動(dòng)態(tài)變化更豐富、可塑性更強(qiáng)的RNA上，通過調(diào)控或改變傳遞信息（mRNA），達(dá)到影響結(jié)果（蛋白質(zhì)）的目的。由于RNA治療的靶向性的選擇面更廣、理論效率更高和治療方案的自由度更高，給予了大量研發(fā)空間嘗試不同的靶向策略及給藥方式。大量ASO神經(jīng)系統(tǒng)疾病藥物研發(fā)結(jié)果也顯示出RNA藥物不尋常的藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)特性：包括復(fù)雜的活性攝取機(jī)制 （uptake mechanisms） ，低全身暴露（systemic exposure），較長的半衰期（half-lives），以及從亞細(xì)胞貯庫（subcellular depots）的逐漸積累、釋放[12]。

然而，RNA治療的發(fā)展并非一帆風(fēng)順。舉個(gè)例子，ASO互補(bǔ)mRNA 使得RNA降解的RNA抑制機(jī)制早在20世紀(jì)80年代末90年代初就被發(fā)現(xiàn)、闡述，但第一款A(yù)SO藥物Fomivirsen在1998年才被FDA批準(zhǔn)用于治療巨細(xì)胞病毒（cytomegalovirus，CMV）視網(wǎng)膜炎，其機(jī)制為與CMV復(fù)制所必需的 immediate-early-2（IE-2）蛋白的mRNA結(jié)合，從而抑制CMV復(fù)制[13，14]。而后由于治療方案的改變導(dǎo)致適應(yīng)證人群驟減，在2002年就退出市場。 真正意義上的被FDA批準(zhǔn)的、基于反義結(jié)合原理（antisense）抑制細(xì)胞內(nèi)mRNA表達(dá)的ASO藥物Mipomersen 更是到2015才出現(xiàn)[15，16]。而RNA剪切、外顯子跳躍的原理也早在20世紀(jì)90年代末就被提出，多家公司如Sarepta，Lonis，Biogen也早早起步，但經(jīng)過多年的試錯(cuò)，才終于在2016年出現(xiàn)了首款基于選擇剪切原理的藥物Eteplirsen獲FDA批準(zhǔn)上市；而概念還相對較新的mRNA 療法則更是面臨著半衰期短、mRNA免疫原性風(fēng)險(xiǎn)、最大化蛋白質(zhì)表達(dá)、mRNA的遞送等問題[17]。此外，RNA療法很多的時(shí)候不能治愈疾病，但是價(jià)格極其高昂，例如引言中提到的Patisiran，每位病人每年花費(fèi)就高達(dá)45萬美金[18]。另外，這些RNA療法常常伴隨著一定風(fēng)險(xiǎn)的副作用，如ASO藥物常存在血液凝固異常和血小板減少以及腎臟損害等風(fēng)險(xiǎn)[19]。

種種現(xiàn)象，不禁讓人們思考，如何評估RNA分子治療的風(fēng)險(xiǎn)和獲益？RNA治療已經(jīng)在穩(wěn)定性提高、脫靶性降低、以及靶向藥物活性增強(qiáng)等方面取得突破，這與新型寡核酸藥物化學(xué)分子的發(fā)現(xiàn)、遞送介質(zhì)的優(yōu)化、對于寡核酸藥物作用機(jī)制的更好理解、以及對與疾病機(jī)制的更深入解析密切相關(guān)[12]。隨著臨床試驗(yàn)的開展，人們對于RNA藥物也逐漸形成了更加豐富的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)了RNA治療方案有其他藥物不可比擬的迭代速度、生產(chǎn)效率和藥物學(xué)特性。

復(fù)雜和多變的背后，既代表著機(jī)會，也提示著風(fēng)險(xiǎn)。許多科學(xué)家相信，RNA在生物學(xué)中的作用是無限的，因而它的治療潛力也是無限的。人們不僅可以靶向mRNA，還可以靶向非編碼RNA（ncRNA）。NcRNA包括microRNA （miRNA），以及repetitive RNA，intronic RNA，和長ncRNAs（lncRNA） ，它們都具有廣泛的控制基因表達(dá)和調(diào)控蛋白功能的作用。如在癌癥治療領(lǐng)域，非編碼RNA（ncRNA）已被確定為關(guān)鍵基因表達(dá)調(diào)節(jié)劑。長非編碼RNA（lncRNA）的表達(dá)揭示良性和轉(zhuǎn)移性腫瘤中的多種基因表達(dá)譜。廣譜的潛在靶點(diǎn)從一開始就賦予了RNA治療與其他治療方案不同的天然優(yōu)勢。

隨著對生命體各層次的認(rèn)知加深，研發(fā)者們將逐漸征服更多的疾病，RNA治療或?qū)橹委?、治愈各種疾病提供有效方案。