前言
遗传学的中心法则认为，核酸携带人类遗传信息，在生长、发育和繁殖等生命过程中起着至关重要的作用，核酸可用于修饰遗传信息以治疗各种疾病。核酸药物（NAD）是一类基于DNA、RNA或合成寡核苷酸类似物的基因治疗药物。它们在临床应用方面具有相当大的潜力，如治疗细菌感染、肿瘤和神经肌肉疾病，这些药物可以通过基因抑制、替代和编辑实现长期疗效。
NAD作为一种新兴的治疗方式，可以精确地针对特定的基因或基因产物，实现精准治疗。此外，与传统小分子药物和抗体药物相比，NAD的发现和开发周期更短，成本相对较低，这有助于加速新药的研发。NAD不仅在遗传性疾病和癌症治疗中具有潜力，还可以应用于其他多种疾病，如心血管疾病、代谢性疾病、神经退行性疾病等。因此，NAD的未来前景光明，根据市场分析，NAD的市场规模预计将在未来几年内显著增长。
NAD的历史发展
NAD的发展与基础分子生物学的重大发现和对生命活动的持续观察密不可分。1869年，Friedrich Miescher从白细胞中发现了一种名为“核素”的新分子，这标志着DNA发现的开始。随后，DNA双螺旋结构和遗传学中心法则的揭示阐明了核酸是传递遗传信息的。在1956年，Rich和Davies发现，基于互补碱基配对的原理，RNA可以形成类似于DNA的双链结构，这一结果为开发RNA双链药物奠定了基础，包括microRNAs（miRNAs）和小干扰RNAs（siRNA）。1960年，Rich报道了DNA/RNA杂交现象；1978年，在这一发现的基础上，Zamecnik和Stephenson使用靶向劳斯肉瘤病毒35S RNA的特定寡核苷酸链来抑制病毒复制，这标志着反义寡核苷酸（ASO）药物在疾病治疗中的应用原型。
随着转录和翻译研究的深入，人们发现了RNA剪接过程。RNA剪接是基因表达的关键步骤，靶向剪接位点的ASO可以恢复缺陷基因的正确剪接，而不仅仅是下调基因表达。这一发现为与错误剪接相关的疾病提供了一种新的治疗策略。
1998年，Andrew Fire和Craig Mello研究发现双链RNA（dsRNA）在秀丽隐杆线虫中具有强大的基因沉默作用，他们将这一发现称为RNA干扰（RNAi）。RNAi被迅速应用于抑制丙型肝炎病毒在小鼠体内的复制，标志着siRNA介导的体内基因沉默的最早证据。2006年，他们因RNAi技术获得了诺贝尔生理学和医学奖。随着先进的化学修饰和靶向递送系统的开发，2018年美国食品和药物管理局（FDA）批准了第一种siRNA药物patisiran，用于治疗遗传性甲状腺素介导的淀粉样变性的多发性神经病。
1984年，Krieg和Melton使用从病毒中提取的RNA聚合酶从DNA模板中进行体外转录，成功地在无细胞系统中实现了mRNA表达。因此，自20世纪90年代以来，体外合成的mRNA越来越多地用于预防和治疗疫苗中的蛋白质替代。2005年，假尿苷（Ψ）修饰的发现解决了体外合成mRNA的免疫原性问题，2008年启动了针对黑色素瘤的mRNA疫苗的首次人体试验。2020年，在新冠大流行期间，FDA授权紧急使用mRNA疫苗。52 2023年，KatalinKariko和Drew Weissman因开创了降低mRNA免疫原性的核苷碱基修饰技术而获得诺贝尔生理学和医学奖，这为NAD在治疗人类疾病方面开辟了新的临床应用。
同时，发现其他类型的核酸和生物现象进一步扩大了NAD的范围。基因编辑技术的出现为开发基因突变疾病的新疗法奠定了基础。最近，第一种基于簇状规则间隔短回文重复序列（CRISPR）/Cas9技术的基因疗法已被批准上市，这给NAD的发展带来了革命性的变化。
NADs的分类和治疗机制
根据其作用机制，NAD可大致分为三类：第一类包括靶向核酸通过促进或抑制翻译来调节蛋白质表达的NAD。这一类别主要包括ASO、siRNA、miRNA、saRNAs和CRISPR/Cas系统；第二类包括靶向蛋白质的NAD，如适配体；第三类包括表达蛋白质的NAD，如体外转录的mRNA。
靶向核酸的NAD
ASO：ASO是人工合成的单链寡核苷酸链，根据沃森-克里克碱基配对原理，通过特异性结合调节和靶向RNA的功能。临床使用的ASO的作用机制主要包括核糖核酸酶H（RNaseH）介导的降解和空间阻断机制。基于这一机制的代表性药物包括Fomiversen（Vitravene®）、Mipomersen（Kynamro®，Delisted）、Inotersen（Tegesdi®）、Volanesorsen（Waylivra®）和Tofersen（Qalsody®）。
siRNA：siRNA是一种双链RNA分子，通常长19-23个碱基对，siRNA通过阻断mRNA翻译诱导基因沉默。与ASO不同，siRNA介导的基因沉默是通过RNA诱导的沉默复合物（RISC）而不是RNaseH。一旦成熟的siRNA进入细胞，它就会与Argonaute-2（AGO2）蛋白形成复合物，它引导RISC切割靶序列，从而通过下调特定蛋白质的翻译来达到治疗效果。迄今为止，已有多个siRNA药物获得国际批准。第一种siRNA药物patisiran（Onpattro®），已被批准通过降解编码转甲状腺素蛋白（TTR）的mRNA来治疗遗传性转甲状腺素蛋白介导的淀粉样变。
miRNA：在真核生物中发现的内源性非编码RNA可以作为基因调节因子。人们对miRNA的调控机制进行了广泛的研究，在Drosha/DGCR、Exportin-5/RAN-GTP和Dicer/TRBP等复合物的帮助下，从miRNA基因的非编码区转录的初级miRNA（pri-miRNA）被加工成成熟的miRNA。miRNA与Argonaute蛋白结合形成miRNA诱导沉默复合物（miRISC），它可以通过碱基对互补沉默靶转录物。与siRNA介导的基因沉默不同，miRNA可以同时识别和调节多个靶mRNA的表达，因为它们的互补性较低。miRNA药物的开发主要包括两类：miRNA模拟物和miRNA抑制剂。ViridianTherapeutics开发的miRNA药物MRG-201（Remlarsen）模拟microRNA-29b来逆转纤维化，从而抑制皮肤伤口中的纤维增殖。除了MRG-201，Viridian Therapeutics还有其他几种基于miRNA的药物，包括MRG-106（Cobomarsen），其靶向miR-155抑制肿瘤；MRG-110，其靶向miR-92促进血管生成。到目前为止，还没有任何miRNA药物被批准上市。
saRNA：除了经典的基因沉默机制外，RNA激活的发现为基因调控提供了新的视角。RNA激活是一种由称为saRNA的小dsRNA介导的基因调控现象，saRNA靶向基因启动子序列以增强靶基因的转录。通过内吞作用进入细胞后，saRNA与AGO2结合，AGO2和反义链被转运到细胞核中，在那里它们与启动子区域结合。随后，AGO2招募RNA聚合酶相关蛋白CTR9同源物和RNA解旋酶II（RHA）形成RNA诱导的转录激活（RITA）复合物。该复合物与RNA聚合酶II（RNAP II）相互作用，并刺激转录的启动和延长。MiNA Therapeutics开发的saRNA药物MTL-CEPA靶向CCAAT/增强子结合蛋白α（CEBPA）。I期试验结果（NCT05097911）表明，MTL-CEBAPA在治疗肝细胞癌方面具有良好的安全性，并可能通过调节免疫抑制来增强酪氨酸激酶抑制剂的治疗效果。除了MTL-CEMPA外，MiNA Therapeutics还有几种saRNA候选物正在临床前开发中。
CRISPR/Cas9系统：基因编辑是一种基因工程技术，通过插入、缺失和位点特异性突变精确修饰靶基因。CRISPR介导的基因编辑系统主要涉及Cas9和单导向RNA（sgRNA），在基因组的特定位置引入DNA双链断裂（DSBs）。这些DSB通常通过同源定向修复（HDR）或非同源末端连接（NHEJ）进行修复，实现突变或外源基因插入。Exa-cel（Casgevy®）于2023年11月获得批准，是第一种基于CRISPR/Cass9系统的基因编辑治疗药物，用于治疗镰状细胞病（SCD）和输血依赖性β-地中海贫血（TDT）。
靶向蛋白质的NAD
适配体是单链寡核苷酸分子，与其他基于核酸的药物不同，适配体依靠其独特的三维构象特异性识别和结合靶分子，如肽、蛋白质、病毒、细菌和细胞。这类似于介导抗体-抗原相互作用和复合物形成的构象识别。然而，与抗体相比，适配体具有几个优点，包括高热稳定性和生理稳定性、低免疫原性和更广泛的靶特异性。适配体在治疗癌症、眼科和心血管疾病（CVD）方面显示出了很好的应用前景。
2004年，FDA批准了第一种适配体药物pegaptanib（Macugen®），用于治疗新生血管性年龄相关性黄斑变性（AMD）。然而，由于其疗效不佳以及与Lucentis等抗VEGF抗体药物的竞争，pegaptanib被撤出市场。尽管如此，适配体的研究仍在继续。2023年8月，avacincaptadpegol被批准用于治疗继发于干性AMD的地图状萎缩（GA）。
表达蛋白质的NAD
与通过直接结合mRNA或蛋白质发挥治疗作用的NAD相比， mRNA药物有两种治疗策略。一种策略是蛋白质替代疗法，它涉及将外源性mRNAs引入细胞以表达功能性蛋白质或补充缺陷性蛋白质。例如，mRNA-3927编码丙酰辅酶A羧化酶的α和β亚基，旨在治疗丙酸血症。针对该适应症的I/II期试验（NCT05130437）已在儿科患者中启动。此外，mRNA-3704和mRNA-3705编码MUT，旨在治疗甲基丙二酸血症，目前正在研究中。
第二种方法涉及mRNA疫苗，它通过直接翻译含mRNA的抗原蛋白来激活身体的免疫反应，以对抗传染病和肿瘤。在新冠肺炎大流行期间，FDA授权紧急使用辉瑞-BioNTech开发的BNT162b2和Moderna开发的mRNA-1273。
NAD开发的挑战
与对蛋白质发挥药理作用的传统小分子和抗体药物不同，大多数NAD直接调节基因表达，提供了更广泛的靶点。这对于解决具有难以用传统药物靶向的缺陷蛋白质的基因尤其有价值，在治疗罕见病、慢性病、传染病和其他代谢性疾病方面显示出巨大的潜力。然而，尽管有这些优势，NAD的开发仍面临着一系列的挑战。
药代动力学和稳定性
裸核酸在体内稳定性较差，可以在血液中降解。它们在血液和组织液中经历酶（核酸酶和RNA酶）或化学（氧化和水解）降解，或被肾脏过滤和清除。尽管研究人员已经通过几种化学修饰来增强NAD的稳定性，但几乎所有这些方法都会影响疗效和安全性。
免疫原性
外源核酸可以被免疫系统中的模式识别受体识别为外源信号，引发免疫反应，损害核酸的结构完整性和稳定性。仔细设计和修饰NAD可以减轻免疫原性，但这需要大量的临床测试。
脱靶效应
治疗性核酸在体内往往缺乏足够的靶向能力。这种不充分的靶向性导致疾病部位的NAD浓度低，以及意外的基因沉默或激活，可能会因需要更高的剂量而导致安全问题。设计特定的核酸和进行彻底的脱靶筛选对于NAD的有效临床应用至关重要。
摄取效率和内体逃逸
由于NAD的大小、电荷和亲水性，很难将其有效吸收到细胞中。带负电荷的核酸不容易穿过细胞膜的带负电荷脂质双层。此外，内体逃逸是一个重要的障碍，因为核酸经常被困在内体中并降解。进入细胞后，NAD通常被内体捕获。只有那些成功逃脱内体的NAD才能发挥其治疗作用。内体逃逸不足会导致疗效降低和脱靶毒性增加。
生产制造
除了前面的问题，NAD还面临着制造和规模放大的挑战。大规模生产具有一致质量的NAD需要先进的制造技术和严格的质量控制措施。这导致了相对较高的成本，影响了患者的可及性和可负担性。
小结
近年来，以核酸药物为基础的疗法逐渐成为各种疾病的潜在干预策略。一般来说，NAD疗法根据其作用方式和使用的分子分为不同的类别。许多NAD疗法已被开发用于各种疾病，并且在许多临床前和临床研究中获得非常有希望的结果，尤其是mRNA疫苗成为目前最火热的研究领域之一。目前，基于NAD的疗法依然存在许多挑战，包括递送系统在内的许多方面仍需要得到进一步的研究和开发，然而不可否认，未来十年属于NAD治疗的时代终将到来。
参考文献：
1.RNA Therapeutics - Research and Clinical Advancements. Front Mol Biosci. 2021; 8: 710738.
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3. Nucleic acid drugs: recent progress andfuture perspectives. Signal Transduct Target Ther. 2024 Nov 29;9:316
原文标题 : 核酸药物的研究前沿和挑战
