RNA藥物前途無限,遞送系統成研發瓶頸

在過去的25年裡，RNA藥物逐步走向臨床。最初，RNA並不是理想的藥物，因RNA分子易降解，在體內半衰期相對較短。然而，通過改善化學穩定性使得RNA的半衰期得以延長，發展成了藥物研發的新星。

事實上，RNA分子擁有許多的屬性使得它可以作為治療藥物。它們能夠摺疊形成複雜的構象，以讓它們可以與蛋白質、小分子或者其他核酸相互結合，有些甚至可以形成RNA的催化中心。編碼的mRNA是從DNA到核糖體的遺傳信息載體，許多類型的非編碼RNA通過各種機制協同遺傳信息的轉錄和翻譯，大量參與機制的發現大大拓寬了RNA的生物學應用及延展。

目前有三類RNA療法受到廣泛關注：1）編碼治療性蛋白或疫苗抗原（mRNA）；2）抑制致病性RNA活性：小幹擾RNA（smallinterfering RNA，siRNA）、微小RNA(micro RNA，miRNA)、反義RNA(antisenseRNA，ASO）；3)調控蛋白活性的RNA適配體（RNA aptamer）。

遞送系統是mRNA藥物的關鍵

1990年，威斯康辛大學科學家首次證明，在動物上直接注射體外轉錄的mRNA可以表達蛋白。1992年，美國Scripps研究所的一項工作展現了mRNA治療疾病的潛力，他們通過腦內注射編碼加壓素（Vasopressin）的mRNA，以增強加壓素的表達，成功緩解了大鼠的尿崩症。

直接注射編碼原的RNA分子疫苗並被抗原遞呈細胞吸收後可誘發免疫應答。通常情況下，mRNA疫苗由酶工程生產，並能嚴格控制免疫原性、藥物動力學及劑量，且通過優化mRNA的密碼子，可同時保持免疫原性及疫苗的穩定性。

臨床試驗表明，mRNA的直接遞送（在脂質體中）可產生明顯的保護性免疫反應，mRNA還可作為一種輔助劑來刺激先天性免疫反應。RNA-Base疫苗（RNA為基礎開發的疫苗）可在幾周內研發、製造和管理，也是解除未來流行病威脅的潛在武器。

根據Nature review drug discovery上發布論文RNA therapeutics on the rise 中的統計說數據顯示，2015-2020年，上市寡核苷酸公司市值增長94.2%，自2015年以來，三家具有代表性的mRNA治療公司（Moderna theraputics、BioNtech和CureVac）吸引了28億美元的私人投資。其中，Moderna創下了生物科技IPO規模最大的紀錄，其價值在2018年約為76億美元，備受投資者青睞。

同時，RNA技術在快速開發疫苗發麵的潛力在COVID-19流行期間展露無遺：第一批臨床mRNA疫苗(mRNA-1273，Moderna)在新型冠狀病毒的基因序列發布後一個月內就設計併合成出來，現在處於Ⅰ期臨床試驗。另外還在其他的在研的COVID-19候選疫苗。

但mRNA技術的發展目前仍然處於早期。分子量大，以及蛋白翻譯機器對於去免疫原性和增加穩定性所必須的化學修飾容忍度低等原因，讓mRNA藥物的發展滯後於小核酸藥物ASO和siRNA。

首先，核酸藥物想要進入體內，主要有一下3個難關：1）核酸的分子量和負電荷使其不能自由通過生物膜；2）RNA容易被血漿和組織中RNase酶降解，被肝臟和腎臟快速清除和被免疫系統識別；3）進入細胞後「卡」在內吞小體中無法發揮功能。

以上幾點讓RNA藥物發展面臨的技術障礙一直沒有變，那就是藥物遞送。目前，解決遞送問題主要有兩個方法：一個是改造核酸分子，讓其穩定並躲避免疫系統的識別；另外一個就是利用藥物傳輸系統，比如說脂質納米顆粒（LNP）和GalNAc（N-乙醯化的半乳糖胺）偶聯技術。

為了保證mRNA疫苗的代謝穩定性和免疫活性，除了慎重評估給藥方式外，還需要對mRNA疫苗的劑型進行特殊設計。mRNA進入體內後，首先面臨周圍組中（如：血液）核酸酶的降解，另外還需要穿過具有磷脂雙分子層細胞膜。因此，mRNA疫苗的製劑系統需要保護mRNA不被核酸酶降解，而且還需要促進mRNA被細胞（APC、B細胞和T細胞等免疫細胞）攝取。

已經有大量的mRNA製劑系統見諸報導，其中的很多已經進入臨床試驗階段。這些製劑技術都是通過形成特殊的mRNA載體，來實現mRNA疫苗的遞送，這些載體技術包括：魚精蛋白載體技術、納米顆粒脂質體載體技術、多聚體載體技術等。

魚精蛋白是一種天然的陽離子蛋白，可以把帶負電的mRNA分子絡合成納米級別的核酸顆粒，從而保護mRNA不被血清中的RNA酶降解；但是由於魚精蛋白和mRNA的結合太緊密，因此採用這種製劑的mRNA疫苗的蛋白表達效率會受限，另外抗原的表達很大程度上也受到魚精蛋白和mRNA比例的影響。德國CureVac公司開發的RNActive平臺成功解決了這個問題，通過RNActive平臺得到的魚精蛋白-mRNA複合物其中，魚精蛋白作為TLR7/8拮抗劑可以誘發Th1細胞反應，mRNA可以表達目的蛋白誘導特異的免疫反應。

納米顆粒脂質體（Lipid nanoparticles，LNPs）載體遞送RNA的原理目前還不完全清楚，但是通常認為，LNP通過非共價親和力和細胞膜結合併通過內吞作用被攝取，進入細胞後mRNA逃離內吞小泡，被釋放到細胞質中表達靶蛋白。LNP還可以通過相反的胞吐作用被排出細胞外，這也是通過LNP進行mRNA給藥需要注意的點。

多聚體載體技術在臨床上的應用並沒有脂質體類載體廣泛，但是作為核酸藥物的載體也表現了優異特性。在進行多聚體載體設計的時候需要額外考慮多聚體載體的分子量以及帶電荷量，過大的載體分子和過多的載電量通常導致載體和mRNA分子結合太過穩定，而導致mRNA的表達效率過低。

可見，遞送技術平臺是mRNA藥物的關鍵之一。目前mRNA還是需要依靠納米製劑遞送，所以肝臟、脾臟以外的組織還是難以靶向，同時，mRNA藥物過膜性低也導致出現懸殊的個體差異，如果藥物過膜性是1%，那麼1%的個體差異會導致兩倍有效藥物濃度差異，但如果過膜性是50%，那麼1%的個體差異則無關緊要。現在業界的策略是首先選擇疫苗這樣安全窗口較大的項目，但如果擴大到更複雜靶點，業界需要找到可監測藥物應答的生物標記。

小核酸藥物日漸成熟，遞送仍是瓶頸

目前狹義的小核酸是指介導RNAi的短雙鏈RNA片段（siRNA），主要涵蓋了siRNA、miRNA和反義核酸等。由於siRNA藥物療效較好且技術取得突破，現已成為最受關注的一類技術。

其中，反義核酸發現最早，獲批的藥物最多，發展較成熟，但反義核酸藥物不及siRNA藥物高效，siRNA藥物在組織細胞遞送上尚有一定的瓶頸，2018年上市的首個siRNA藥物已經可以有效遞送到器官和組織，隨著藥物遞送系統的進一步突破，siRNA藥物將逐漸替代反義核酸藥物，成為主流RNAi藥物。

而miRNA與siRNA通過21個核苷酸完全配對的作用機理不同，只需要2-8位核苷酸的配對就能起作用。因此miRNA通常是作用於一個面，而非一個點，作用於一個協同的網絡而非單條通路，相關技術還待進一步突破。

2005年至2009年，RNAi領域吸引了數十億美元的資金投入，催生了眾多小型生物技術

公司，但行業發展遭遇瓶頸。2006年默沙東以11億美金收購專門開發RNAi藥物的Sirna公司；2007年，羅氏與Alnylam製藥公司籤訂了一項價值高達10億美元的協議，獲得該公司RNAi技術。但RNAi藥物治療的效果遠不及預期，系統給藥效果差和脫靶造成的嚴重副作用成為最大障礙，藥物嚴重的副反應始終無法克服，研發陷入了困境。第一輪資本的進入雖然沒有取得預期的回報，但卻在一定程度上推動了行業的發展，使得Alnylam、Quark和Arrowhead等公司成長起來。

小核酸藥物領域的研發有以下方向，一方面，基因測序技術的發展，測序成本降低，為小核酸藥物產業化提供了可能；另一方面，RNA修飾技術使得RNA在血液中的穩定性增加，給藥系統突破使得藥物更高效安全。

2013年—2016年，陸續有反義核酸藥物獲批上市。2014年賽諾菲（Sanofi）以7億美元收購了Alnylam12%的股份，但研發也是困難重重；Arrowhead公司功能性治癒B肝的RNAi藥物ARC-520因動物實驗發生動物死亡而停止II期研發；2016年，Alnylam的RNAi藥物Revusiran在三期臨床階段失敗，造成18名患者死亡，使得其當時股價被腰斬，遭受重挫。

直到2016年底，技術的突破、新產品的獲批掀起了新一輪的投資合作熱潮。百健/Ionis治療脊髓性肌萎縮症（SMA）的反義寡核苷酸Nusinersen被FDA批准上市，2017年即取得8.82億美元銷售，業內普遍給出銷售峰值達20億美元的預估。2017年，Patisiran臨床三期結果超出預期，標誌核酸幹擾藥物的重大突破，行業重拾信心。2018年，Ionis和Alnylam的治療由hATTR引起的多發性神經病的兩款孤兒藥陸續獲批，其中Patisiran成為全球第一個獲批的siRNA類的小核酸藥物，對整個領域有巨大的振奮作用。與此同時，資本紛紛回歸RNAi領域，掀起了第二次的投資熱潮。

小核酸藥物的適應症涵蓋範圍廣，包括腫瘤、罕見病（肌萎縮性脊髓側索硬化、杜氏肌營養不良、脊髓性肌萎縮）、病毒性疾病、腎臟疾病、心血管疾病（凝血功能不足、血脂異常等）、炎症類疾病（哮喘、關節炎、結腸炎）、代謝類疾病（糖尿病、非酒精性脂肪性肝炎）等，其潛在市場規模十分廣闊。

其中，罕見病和腫瘤是小核酸藥物應用最廣的領域。截至目前，已經有9款小核酸藥物獲批上市，其中有5個藥物為孤兒藥，同時也是該疾病領域的首個藥物，一定程度上滿足了此前尚無治療手段的罕見病人的需求。

生命科學商業資訊機構EvaluatePharma（EP）在世界罕見病日發布的一份報告（EvaluatePharma Orphan Drug2017Report）表明：2016年罕見病藥的總銷售額為1140億美元，佔全球非仿製藥市場的16.4％。至2022年，這一數字將上升為2090億美元，罕見病藥銷售將佔整個市場的21.4％。RNAi技術能夠針對已知的罕見病基因發揮作用，克服了某些靶點蛋白難以成藥的缺點，能較快取得突破。報告預計2025年，小核酸藥物市場規模將遠超100億美元。

而發展火熱的小核算藥物並非沒有缺點，例如，2009年，首個開展siRNA臨床試驗的藥物Bevasiranib，因為效果欠佳而在III期臨床試驗終止測試。靶向性差，脫靶效應及穩定性問題是影響siRNA藥物療效的最主要因素。1）靶向性差：siRNA是帶負電荷的生物活性大分子，不具備對組織或細胞的靶向能力，穿透細胞膜的能力極差。2）脫靶效應嚴重：除了siRNA分子的反義鏈能夠介導同源基因的表達沉默外，反義鏈能通過miRNA通路引起一些非同源基因的抑制，正義鏈介導其同源基因的表達沉默，引起由正義鏈介導的脫靶效應；同時未修飾的雙鏈RNA也會引起一些先天免疫機制的激活。而在小核酸製藥中，這些都會產生藥物的毒副作用，嚴重地影響了RNAi技術的應用。3）穩定性差：RNA在人體循環系統中容易被血液核酸酶降解，穩定性較差。

因此，與mRNA類似，遞送平臺開發是整個鏈條的重點，目前，為了解決這一問題，國內外藥物遞送系統技術的研發如火如荼，重點聚焦在脂質納米顆粒（LNP）和GalNAc（N-乙醯化的半乳糖胺）偶聯技術的研發和應用上。

RNA適配體暫居產業邊緣

1990年8月份，美國Colorado大學和麻省總醫院的科學家（L.Gold和J.Szostak）分別在Science和Nature發表文章，顯示通過體外進化和篩選，可以得到與目標分子緊密結合的RNA分子，親合力和特異性與單抗相當。他們把這個篩選過程叫做」Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment（SELEX）」。而Aptamer這個名字則是來自拉丁文字「aptus」，意思是「to fix」，中文翻譯為「適配體」。

Gold和Szostak的這一突破性研究證實核酸分子能夠藉助氫鍵、範德華力、疏水作用等分子間作用力形成與分子靶標相作用的結合口袋和裂隙(binding pockets and clefts)，藉助這些特殊的三維立體結構，高親和力和特異性的識別並結合靶分子。

SELEX符合適者生存的進化原理，RNA文庫與靶標孵育一定時間後，未結合的分子被移除，而結合的分子洗脫後經RT-PCR擴增形成新的化合物庫，重複上述過程，經過8-20輪篩選，一般能得到高特異性和高親和力的適配體，目前學術報導的用於治療和診斷的適配體超過1000個。

業內常將核酸適配體和抗體進行比較，是因為兩者具有很多相似之處。兩者都具有親和性和特異性，都可與靶向目標特異性結合，並因此特性應用於生物醫學領域。但隨著篩選技術研究的發展，越來越多的靶分子獲得高親和力的、高特異性的適配體，具有廣泛的應用前景，特別是分子識別檢查的領域。但與成熟的抗體實驗相比，目前適配體可以補充抗體性能的不足，但是不能完全取代抗體。

雖然核酸適配體發展將近30年的時間，但仍有很多問題阻礙了其實際應用的腳步。例如體內表現很差，在血液中易被降解；核酸分子結構太小，腎清除速度快，作為藥物時藥物動力學性能差；核酸適配體作為核酸分子探針，化學作用力非常有限，增加了不易被結合的靶標分子的時候篩選難度，且靈敏度不夠高；利用適配體發現靶標時，缺乏高通量篩選及鑑定的方法；作免疫組化應用時，可用的特異性適配體還較少，臨床應用不受認可，亟待推廣等等問題，讓適配體應為範圍較小，處在產業邊緣。

結語

RNA世界隱藏著眾多具有治療潛能的分子。然而，除RNA藥物設計階段的障礙，如免疫原性外，最核心的難題，如遞送、脫靶副作用、一般毒性等問題，在之後的臨床試驗中難以避免。目前，雖然以納米級非病毒顆粒為代表的遞送系統不斷發展，但效率低、缺乏靶向性機制等問題仍沒有取得突破性進展。

生輝認為，RNA藥物的研發誰執牛耳，其核心仍在於技術，能在關鍵技術上有所突破者才能成為真正的冠軍公司。

參考：

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25196947

https://www.researchgate.net/publication/21464693_Direct_gene_transfer_into_mouse_muscle_in_vivo

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1546298

https://www.ingentaconnect.com/content/ben/cmc/2005/00000012/00000015/art00005

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2200121

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1697402

https://www.nature.com/articles/d41573-020-00078-0

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