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摘要 Abstract
锁核酸(Locked Nucleic Acid, LNA)与吗啉代寡核苷酸(Phosphorodiamidate Morpholino Oligomer, PMO)代表了第三代寡核苷酸修饰的两个标志性技术路线。LNA通过在核糖2'-O与4'-C之间引入亚甲基桥,将核糖锁定在C3'-endo构象,赋予寡核苷酸极高的热稳定性和酶稳定性;PMO则以中性吗啉代骨架取代磷酸二酯键,彻底消除非特异性蛋白结合,展示出卓越的体内安全性。PMOplus及后续的PMO-X等优化版本在PMO基础上引入带电荷修饰,进一步提升细胞摄取效率。目前,LNA探针已成为分子诊断领域的标准工具,而PMO则是外显子跳跃疗法中不可或缺的核心成分,多款已获FDA批准上市药物印证了其临床价值。本文系统梳理上述三类技术的化学基础、作用机制、设计要点及最新临床应用进展。
关键词:锁核酸 LNA吗啉代寡核苷酸 PMO外显子跳跃Tm值提升反义技术Duchenne肌营养不良核酸药物
一
背景:为何需要"锁住"核苷酸?
自1990年代反义寡核苷酸(ASO)技术兴起以来,第一代硫代磷酸修饰(PS-DNA)虽解决了核酸酶降解问题,却带来了两大固有缺陷:其一,PS骨架与血浆蛋白的强烈非特异性结合导致毒性积累;其二,PS-DNA对靶RNA的结合亲和力仍相对有限,需要较高药物剂量。进入第三代修饰时代,研究者的核心目标从"防降解"转向"结合更紧、毒性更低、靶向更准"。LNA与PMO正是这一演进浪潮中最成功的两个技术方案,二者路径迥异,却殊途同归——前者通过结构约束强化Watson-Crick碱基配对,后者通过骨架替换消除电荷相关的非特异性毒性。
理解这两类修饰的价值,需要首先认识核糖构象对核酸双链稳定性的决定性作用。天然RNA中核糖偏好C3'-endo(北式)构象,该构象下碱基堆叠更紧密,A型双链稳定性高;而DNA更倾向C2'-endo(南式)构象,B型双链。DNA/RNA杂合链的Tm值介于两者之间。LNA的设计思路正是强制固定核糖于C3'-endo,使其在DNA单体中"模拟RNA",从而大幅提升杂合链稳定性。
二
锁核酸(LNA)的化学原理与热力学效应
2.1 分子结构特征
LNA(又称BNA,桥接核酸)由丹麦科技大学Jesper Wengel课题组(1997年)和日本大阪大学Takeshi Imanishi课题组(1998年)各自独立合成。其核心结构修饰为:在核糖的2'-O与4'-C之间引入一个亚甲基(—CH₂—)桥接,形成二环系统,将呋喃环永久锁定在C3'-endo构象。
2.2 热力学效应:Tm值的戏剧性提升
LNA修饰对双链热稳定性的提升效果在核酸化学领域极为罕见。以与互补RNA链形成的杂合双链为例,每引入一个LNA单体,Tm值平均提升+4~+8 °C(视序列背景而异)。这意味着一条含5个LNA单体的8-mer寡核苷酸,可获得与16-mer天然DNA相当的杂交稳定性,这对于短探针设计(如miRNA检测)具有革命性意义。
修饰类型
与RNA杂交Tm提升(/碱基)
核酸酶抗性
RNase H激活
合成难度
DNA(未修饰)
基准值
差
✅ 是
低
PS-DNA(第一代)
−0.5 ℃
中等
✅ 是
低
2'-OMe RNA
+0.5~+1.5 ℃
较好
❌ 否
中
2'-MOE
+1.5~+3 ℃
好
❌ 否(翼部)
中LNA+4~+8 ℃
优秀
✅(嵌合体中)
中高
PMO
+0~+2 ℃
极优
❌ 否
高
表1:主要寡核苷酸修饰类型的关键性能对比
2.3 LNA gapmer设计策略
纯LNA链无法激活RNase H介导的靶RNA切割(因双链构象偏离RNase H识别要求)。为兼顾高亲和力与RNase H依赖性基因沉默,研究者发展了Gapmer设计:两端各放置3~5个LNA单体("翼"区,提供亲和力与核酸酶抗性),中间保留7~10个PS-DNA或DNA单体("缺口"区,允许RNase H结合并切割靶RNA)。目前绝大多数临床开发中的ASO药物采用此类嵌合设计,Ionis公司已开发出第2代(2'-MOE gapmer)和第3代(cET/LNA gapmer,LICA技术)ASO平台。
⚠️ 设计陷阱:LNA密度过高(连续4个以上LNA单体)可能导致自身聚集(self-aggregation),且与血浆蛋白非特异性结合增加,出现肝毒性信号。实践中每条20-mer ASO中LNA单体数量以5~8个为宜,并避免连续排列超过3个。
三
吗啉代寡核苷酸(PMO):骨架革命
3.1 PMO的化学结构革新
PMO由美国Sarepta Therapeutics(原AVI BioPharma)的James Summerton于1985年首次提出设计思路,并在1990年代完成系统性化学合成与评价。PMO的核心革新是双重骨架替换:① 将核糖替换为六元吗啉代环(morpholine ring,含氮的饱和杂环);② 将磷酸二酯键替换为磷酰二胺键(phosphorodiamidate linkage)。
这两个替换的直接后果是:PMO骨架整体呈电中性(非离子型),与天然核酸的带负电磷酸骨架截然不同。中性骨架带来一系列独特优势:① 不与带正电荷的细胞蛋白发生静电非特异性结合,毒性极低;② 不被体内磷酸二酯酶(核酸酶)识别降解,代谢稳定性极高;③ 不激活固有免疫(TLR9等),规避CpG相关的免疫刺激问题。
3.2 PMO的作用机制:空间位阻封闭
由于PMO/RNA杂合链无法激活RNase H,PMO的基因调控作用几乎完全依赖空间位阻(steric blocking)机制:PMO与靶pre-mRNA或成熟mRNA上的特定序列结合后,物理性阻断剪接体、核糖体或其他RNA结合蛋白的结合位点,从而调控剪接模式(外显子跳跃/纳入)或阻断翻译。
这一机制使PMO特别适合于外显子跳跃(exon skipping)治疗策略——在Duchenne肌营养不良(DMD)中,大约13%的患者携带可通过跳跃外显子51恢复阅读框的突变,针对外显子51剪接调控序列(ESE)设计的PMO(Eteplirsen/Exondys 51)已于2016年获FDA批准,成为全球首款PMO类药物。
四
PMOplus与新一代PMO衍生物
4.1 PMOplus的设计逻辑
PMO的电中性骨架虽解决了毒性问题,却引入了新挑战:缺乏静电驱动力使其细胞摄取效率显著低于带电荷的ASO,往往需要借助促摄取试剂(如Endo-Porter)或高剂量才能达到有效的胞内浓度。
PMOplus(也称带正电荷PMO)通过将少数磷酰二胺键替换为带+1正电荷的哌嗪基磷酰二胺键,在保留PMO低毒性框架的前提下,引入适量正电荷以增强与细胞膜(带负电荷)的静电相互作用,提升内吞摄取效率。体外及动物实验数据显示,PMOplus的有效浓度可降至PMO的1/5~1/10,活性显著提升。
特性
PMO(标准)
PMOplus
Vivo-PMO
PPMO(肽偶联)
骨架电荷
中性
弱正电荷
中性
中性+正电荷肽
细胞摄取
低(需辅助)
中等
中高
高
体内活性
中(需高剂量)
较好
好
优秀
毒性风险
极低
低
低
需评估肽毒性
主要应用
肌肉注射外显子跳跃
提升肌肉摄取
系统给药
CNS/肌肉穿透
代表药物/状态
Eteplirsen(已上市)
临床研究阶段
Golodirsen(已上市)
SRP-5051(III期)
表2:PMO衍生物家族的性能与应用对比
4.2 PPMO:细胞穿透肽的加持
肽偶联PMO(PPMO)通过将细胞穿透肽(CPP,如Pip系列肽、RXR肽)共价连接至PMO末端,借助肽段的膜穿透能力大幅提升胞内递送效率,在CNS疾病(如脊髓性肌萎缩、ALS)的动物模型中展示了不经促摄取辅助即可有效作用于神经细胞的能力。Sarepta的SRP-5051(casimersen的PPMO版本)正处于III期临床试验,有望成为首款上市的PPMO类药物。
五
实验设计要点5.1 LNA探针设计原则
🔬 LNA探针设计核心规则长度控制
miRNA检测探针通常设计为14~18 mer(含LNA),对应Tm约55~65 ℃;mRNA原位杂交探针可适当缩短至12~15 mer以提高信号特异性。LNA位置分布
避免连续3个以上LNA单体;推荐每隔1~2个天然DNA/RNA单体放置一个LNA,均匀分布以维持正常双链构象。GC含量
目标Tm 60~68 ℃,GC含量40~60%为佳;可通过Exiqon/IDT在线工具精确计算含LNA单体时的Tm。二级结构检查
使用Mfold或RNAfold验证探针自身不形成发卡结构(ΔG > −2 kcal/mol)。末端修饰
3'-末端LNA修饰可阻断核酸外切酶降解,在体内应用中尤为重要。5.2 PMO设计与体外验证
🔬 PMO外显子跳跃设计流程靶点选择
优先靶向剪接增强子(ESE)序列,可通过ESEfinder、RESCUE-ESE数据库预测ESE位置;其次为5'/3'剪接位点上游/下游20 nt区域。序列长度
外显子跳跃PMO通常为25 mer(±2),过短影响杂交稳定性,过长增加合成成本和脱靶风险。体外初筛
推荐在患者来源的原代成肌细胞(myoblast)或肌管(myotube)中,使用Endo-Porter辅助转染,RT-PCR验证外显子跳跃效率(跳跃率=跳跃带/全部带×100%)。对照设置
必须包含错配对照PMO(5-碱基错配,序列相近但功能失活)以排除非序列特异性效应。剂量优化
标准浓度梯度为5/10/25/50/100/200 nM,建立量效关系曲线确定EC50。
5.3 关键质控指标
LNA寡核苷酸的质量控制除常规质谱(ESI-MS)和HPLC纯度检测外,还需特别关注Tm验证实验——实测Tm与计算值偏差应在±2 ℃以内,偏差过大提示合成错误或LNA单体未正确引入。PMO则因其特殊骨架(无紫外吸收差异),需结合质谱和毛细管电泳双重验证纯度,确保n-1缺失体含量低于5%。
六
应用案例:PMO在DMD治疗中的临床实践
Duchenne肌营养不良(DMD)是X染色体连锁隐性遗传病,由抗肌萎缩蛋白(Dystrophin)基因移码突变导致,发病率约1/5000男婴,是迄今PMO外显子跳跃疗法最成熟的临床应用场景。
药物名称
靶向外显子
适用突变类型
FDA批准
给药方式
Eteplirsen(Exondys 51)
外显子 51
外显子45-50缺失等
2016年(加速批准)
每周IV注射,30 mg/kg
Golodirsen(Vyondys 53)
外显子 53
外显子52缺失等
2019年(加速批准)
每周IV注射,30 mg/kg
Viltolarsen(Viltepso)
外显子 53
外显子52缺失等
2020年(加速批准)
每周IV注射,80 mg/kg
Casimersen(Amondys 45)
外显子 45
外显子46缺失等
2021年(加速批准)
每周IV注射,30 mg/kg
表3:已获FDA批准的PMO外显子跳跃药物(截至2025年)
这四款药物共覆盖约30%的DMD患者群体。其疗效评估指标主要为肌肉活检中Dystrophin蛋白阳性纤维比例的提升(生物标志物替代终点),部分研究已显示6分钟步行测试(6MWT)的功能性改善。值得注意的是,这些药物均通过加速批准路径上市,仍需完成后续确证性临床试验以获得完全批准。
七
LNA在分子诊断中的应用案例
LNA探针在分子诊断领域的典型应用是miRNA定量检测。成熟miRNA长度仅18~22 nt,设计常规探针时Tm偏低(<50 ℃),杂交特异性差;引入LNA后,14-mer LNA探针即可实现对成熟miRNA的高特异性检测,且能有效区分相差一个碱基的家族成员(如let-7a/b/c)。
基于此,Exiqon(现已被QIAGEN收购)推出的miRCURY LNA miRNA检测系统已成为全球使用最广泛的miRNA定量平台之一,其microarray芯片覆盖超过3500个人类miRNA位点,qPCR引物对设计均采用LNA修饰以确保单碱基分辨率。
此外,LNA探针在荧光原位杂交(FISH)中也大放异彩:与传统FISH相比,LNA-FISH可在更严格的洗涤条件下(高甲酰胺浓度)维持杂交信号,同时降低背景噪音,成为组织切片中病毒核酸(如HPV、EBV)检测和染色体端粒长度测量的优选方案。
八
最新进展(2023—2025年)
🌱 技术前沿动态
①LNA-PROTAC核酸降解剂:2024年,多个课题组报道了将LNA与PROTAC(蛋白靶向降解嵌合体)概念结合,开发RNA靶向降解剂(RIBOTAC),利用LNA高亲和力锚定靶RNA后招募RNA酶,实现催化式靶RNA降解,突破传统ASO的化学计量限制。
②肌肉外PMO递送突破:2024年《Nature Medicine》报道,通过优化脂质体配方,实现PMO在心肌和平滑肌中的有效递送,解决DMD患者心肌病变治疗难题,相关药物已进入I期临床。
③全身性PMO疗法用于多基因病:超越单基因病,研究者开发"鸡尾酒PMO"(多靶点联合外显子跳跃)策略,用于ALS(靶向FUS/TDP-43)和脊髓小脑性共济失调(SCA3),在灵长类动物模型中取得积极结果。
④人工智能辅助PMO靶点优化:2025年,Sarepta与DeepMind合作,利用AlphaFold预测pre-mRNA三级结构,结合机器学习模型筛选最优ESE靶点,将PMO开发周期从18个月压缩至6个月。
⑤约束乙基-LNA(cET-LNA)混合修饰:Ionis发展的第二代LNA变体——约束乙基(cET)修饰,在维持与LNA相近Tm提升效果的同时,显著降低了肝毒性,目前已在其LICA(配体偶联ASO)平台中广泛应用,多款cET-ASO正在进行II/III期临床试验。
九
总结与展望
LNA与PMO代表了寡核苷酸修饰化学中两个互补且各具特色的发展方向。LNA以"最小化修饰、最大化亲和力"为核心哲学,通过单原子级别的结构约束实现热动力学的显著提升,在诊断探针和高亲和力ASO设计中不可替代;PMO则以"骨架革命"重写安全性规则,在外显子跳跃治疗领域拥有迄今无法替代的临床地位。
展望未来,两类技术的深度融合(如LNA-PMO嵌合体、LNA辅助PPMO设计)以及与新型递送系统(LNP、外泌体)的结合,将进一步拓展核酸药物的治疗边界。随着人工智能在靶点预测和序列优化中的广泛应用,以LNA/PMO为核心的第三代核酸修饰技术有望在神经退行性疾病、罕见遗传病乃至感染性疾病治疗领域开辟更多临床应用场景。
参考文献:
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8.FDA. Eteplirsen (Exondys 51) Prescribing Information. 2016. https://www.accessdata.fda.gov
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