——序列设计 · 化学修饰 · 协同优化 · 评价与展望 ——
刘永李13764438507
目录
小核酸药物序列优化与化学修饰策略综合研究
一、研究概述
二、小核酸药物作用机制与结构基础
三、小核酸药物序列优化策略
四、小核酸药物化学修饰策略
五、序列优化与化学修饰协同应用体系
六、优化效果评价体系(药效与安全性评估)
七、现存问题与技术挑战
八、前沿研究与未来发展趋势
九、总结与展望
附录 A 术语与缩写对照表
附录 B 序列优化与化学修饰关键设计规则
参考文献小核酸药物序列优化与化学修饰策略研究
主题:系统阐述小核酸药物(siRNA、miRNA、ASO、shRNA、sgRNA)的序列优化策略、化学修饰技术、二者协同应用体系、优化效果评价方法,以及现存挑战与前沿趋势。
用途:药物研发立项、序列设计、化学修饰工艺开发、成药性评估与技术路线决策。一、研究概述1.1 小核酸药物定义与分类
小核酸药物(oligonucleotide therapeutics)是一类以人工设计、化学合成的短链核酸分子为活性成分,通过 Watson-Crick 碱基互补配对原则识别并结合特定 RNA 序列,从而在转录后水平调控靶基因表达、纠正剪接异常或实现定点编辑的药物。与小分子化学药和抗体生物药不同,小核酸药物的“编码”完全由碱基序列决定,因此具备可编程性、可预测性和快速迭代能力。其分子量通常介于约 4–15 kDa 之间,长度多为 15–30 个核苷酸(siRNA 双链约 19–25 bp,ASO 多为 15–25 nt),结构上由核糖—磷酸骨架、碱基以及可修饰的功能基团组成。按分子形态与作用机制,可划分为五类主流药物。
第一类:小干扰 RNA(small interfering RNA, siRNA)。 siRNA 为双链 RNA 分子,通常由 19–25 个碱基对的双链体构成,导入细胞后与 AGO2 蛋白组装为 RNA 诱导沉默复合体(RISC),正义链被降解或解离,反义链(向导链)保留并结合互补靶 mRNA,通过 AGO2 的核酸内切酶活性在配对区第 10–11 位碱基之间切割靶 mRNA,随后引发 mRNA 降解,实现高效、序列特异性的基因沉默。siRNA 尤其适用于肝脏、眼部、中枢神经系统等可通过递送技术实现组织富集的靶点,代表性药物包括 patisiran、givosiran、lumasiran、inclisiran、vutrisiran、nedosiran 等,主要适应症覆盖遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性(hATTR)、急性肝卟啉症、原发性高草酸尿症 1 型、高胆固醇血症等。
第二类:微小 RNA(microRNA, miRNA)及 miRNA 模拟物/抑制剂。内源性 miRNA 是长约 21–23 nt 的单链非编码 RNA,通过其 5′ 端第 2–8 位的“种子序列”与靶 mRNA 3′ UTR 部分互补结合,诱导翻译抑制或 mRNA 去稳定化,从而实现对大量靶基因的协同调控。miRNA 药物可设计为 miRNA mimic(补充/恢复抑癌性 miRNA 功能)或 antimiR(抑制致病性 miRNA),其靶点呈“一多对应”网络化特征,适合纤维化、肿瘤、病毒感染等多基因复杂疾病。但 miRNA 靶点众多也带来特异性控制与药理学评估的挑战。
第三类:反义寡核苷酸(antisense oligonucleotide, ASO)。 ASO 是单链 DNA/RNA 类似物,长度约 12–30 nt,通过与靶 RNA 互补结合发挥两类作用:一是招募 RNase H1 降解 RNA-DNA 异源双链中的 RNA,适用于 mRNA 敲低;二是通过空间位阻作用调控剪接、阻断翻译起始、抑制 polyA 加尾或 microRNA 结合位点,实现剪接转换、外显子跳跃或功能恢复。ASO 可经鞘内注射直达中枢神经系统,代表性药物包括 nusinersen(SMA 剪接校正)、inotersen、eplontersen、tofersen、milasen 等。
第四类:短发夹 RNA(short hairpin RNA, shRNA)。 shRNA 是一类由茎环结构连接正义链与反义链的前体分子,在细胞内经 Dicer 加工为 siRNA,再进入 RNAi 通路实现持久沉默。shRNA 常通过病毒载体(如 AAV、慢病毒)在细胞内持续表达,适合基因治疗、离体细胞工程化改造等需要长期稳定敲低的应用场景,但其持续表达与免疫激活需在设计中严格控制。
第五类:sgRNA(single guide RNA)。 sgRNA 是 CRISPR 基因编辑系统的向导分子,由识别靶 DNA 的约 20 nt spacer 与结合 Cas9/Cas12/Cas13 的恒定支架结构组成。sgRNA 通过碱基互补引导 Cas 核酸酶在靶位点产生双链断裂,进而实现基因敲除、碱基编辑、先导编辑或转录调控。sgRNA 的活性与脱靶高度依赖 spacer 序列选择、GC 含量、PAM 邻近序列与二级结构,是基因编辑药物设计与递送的核心元件。
从化学结构看,小核酸药物的“可编程性”建立在三个可独立改造的层次之上。第一层是碱基序列,它编码了与靶 RNA/DNA 互补配对的特异性信息,决定药物“识别谁”;第二层是糖—磷酸骨架,它决定分子的电荷、亲水性、酶稳定性与构象柔性,决定药物“能否存活并到达靶点”;第三层是可修饰位点,包括核糖 2′-位、碱基侧链、磷酸非桥氧原子与链末端,这些位点可在固相合成阶段通过修饰单体被系统性改造,决定药物“药代与安全窗”。三层之间高度耦合:碱基序列决定修饰收益的上下文依赖性,骨架决定分子整体理化性质,修饰位点决定改造的可行性与精度。正是这种“序列可编程+位点可修饰+结构可预测”的三位一体,使小核酸药物得以用近乎统一的化学平台覆盖极其多样化的靶点,成为药物化学中少见的“平台型分子”。理解这一结构基础,是把握后文序列优化与化学修饰策略的前提。
小核酸药物分类与作用机制总览
表 1-1 五类小核酸药物的结构、机制与应用比较
药物类型
典型长度/形态
核心作用机制
主要效应蛋白/复合物
典型适应症与应用
siRNA
19–25 bp 双链
靶 mRNA 切割与降解
AGO2/RISC
肝脏、眼科、CNS 罕见病与慢病
miRNA mimic/antimiR
~22 nt 单链/双链
翻译抑制、mRNA 去稳定化
AGO/RISC、TNRC6
纤维化、肿瘤、病毒感染
ASO
12–30 nt 单链
RNase H1 降解或空间位阻剪接调控
RNase H1、剪接体
神经肌肉病、CNS、心血管
shRNA
茎环前体
Dicer 加工后 RNAi 沉默
Dicer、AGO2
基因治疗、离体工程化细胞
sgRNA
~100 nt 向导 RNA
引导 Cas 核酸酶定点编辑
Cas9/Cas12/Cas13
基因编辑、细胞与基因治疗1.2 行业发展现状与优势
小核酸药物正在成为继小分子与抗体之后的“第三类药物模态”,其底层逻辑来自对中心法则中 RNA 层面的直接干预。相较传统药物,其优势集中体现在四个方面:靶向精准——通过 Watson-Crick 碱基互补实现近数字化、可预测的分子识别,可将脱靶控制到较低水平;可靶向不可成药靶点——大量致病蛋白因缺乏可结合口袋而难以被小分子或抗体靶向,但其编码mRNA 却是理想靶标,使 KRAS、转录因子、lncRNA 等传统“不可成药”靶点重新进入药物研发视野;研发周期短——从靶点确定到先导序列仅需数周,序列设计可通过算法迭代完成,避免传统化学药的大规模高通量筛选;适应症广——理论上任何序列已知的基因均可被靶向,已从罕见遗传病向肿瘤、代谢、心血管、感染、中枢神经等常见病拓展。
从全球研发进展看,截至 2020 年代中期,已有约 20 款小核酸药物在全球主要市场获批,另有 300 余个候选药物处于不同临床阶段。里程碑事件包括:1998 年首个 ASO 药物 fomivirsen 获批;2013 年 mipomersen 获批;2016 年 nusinersen 与 eteplirsen 获批,标志着 ASO 在神经肌肉疾病领域的突破;2018 年 patisiran 成为首个获批的 siRNA 药物,并以 LNP 递送实现肝脏靶向;2019 年起 GalNAc 偶联 siRNA(givosiran、lumasiran、inclisiran、vutrisiran、nedosiran 等)密集获批,推动皮下给药与低频维持剂量成为现实;2023 年 eplontersen、tofersen 等新一代 ASO 进一步拓宽了适应症与给药便利性。
已获批小核酸药物发展时间线
各主要疾病领域的应用价值。小核酸药物的适应症版图已从单一罕见病扩展为多领域并行,其应用价值可由疾病机制与小核酸技术特性的匹配关系加以阐明。
在罕见遗传病领域,小核酸药物凭借“靶向致病基因根源”的能力取得了最密集的获批成果。遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性(hATTR)由 TTR 基因突变导致转甲状腺素蛋白错误折叠并在神经、心脏等组织沉积,patisiran、vutrisiran、inotersen、eplontersen 四款药物分别以 siRNA 或 ASO 敲低肝脏 TTR 表达,直接阻断淀粉样前体来源,实现了从“对症”到“对因”的跨越;脊髓性肌萎缩症(SMA)由 SMN1 缺失引起,nusinersen 通过靶向 SMN2 剪接提升功能性 SMN 蛋白,使这一曾被视为“无药可治”的婴儿致死性疾病获得可改变病程的治疗;杜氏肌营养不良(DMD)的 eteplirsen、golodirsen、viltolarsen、casimersen 则以外显子跳跃恢复部分肌营养不良蛋白表达。罕见病之所以成为小核酸药物的“第一站”,在于其靶点明确、单基因病因清晰、患者基数小而监管路径可加速,且对“治愈性药物”的迫切需求使高风险创新更容易获得回报。
在肿瘤领域,小核酸药物可从多个层面干预癌症生物学:敲低驱动癌基因(如 KRAS、MYC 等传统不可成药靶点)、抑制肿瘤耐药与转移相关基因、恢复抑癌性 miRNA 功能或抑制致癌 miRNA、以及通过基因编辑失活免疫检查点或改造 CAR-T 细胞。尽管肿瘤递送仍以 LNP、聚合物与适配体为主,且肝外/瘤内递送挑战更大,但基于 siRNA/ASO 的 KRAS、EphA2、HIF-1α 等靶点管线已进入临床,miRNA 疗法(如 miR-34a、miR-16 模拟物)亦曾在多种实体瘤中开展试验。肿瘤的高度异质性与可及性差决定了该领域更多依赖“局部给药+联合治疗”策略,其产业化进程慢于肝脏罕见病,但市场规模与想象空间更大。
在代谢与心血管疾病领域,inclisiran 的成功具有标志性意义:它以 GalNAc-siRNA 靶向肝脏 PCSK9 mRNA,通过半年两次皮下给药实现 LDL 胆固醇的长期、稳定下降,证明小核酸药物能够以“疫苗式低频给药”管理慢性病,突破了罕见病小众市场的局限。同领域还有靶向 ANGPTL3、LPA(脂蛋白 a)、ApoC-III、AGT(血管紧张素原)等的 siRNA/ASO 管线,覆盖高甘油三酯血症、脂蛋白 a 升高、难治性高血压、非酒精性脂肪性肝炎等大适应症。代谢疾病的靶器官集中于肝脏,与 GalNAc 递送高度契合,是小核酸药物向常见病拓展最现实的路径。
在抗病毒与感染领域,小核酸药物既可直接靶向病毒基因组或宿主依赖因子,也可调控宿主免疫。早期 fomivirsen 即靶向巨细胞病毒(CMV)IE2 mRNA 治疗 CMV 视网膜炎;针对乙型肝炎病毒(HBV)、丙型肝炎病毒(HCV)、人免疫缺陷病毒(HIV)、呼吸道合胞病毒、流感病毒与 SARS-CoV-2 的 siRNA/ASO/miRNA 管线曾大量进入研究。抗病毒应用的核心挑战在于病毒基因组的高突变率与逃逸能力,需选择高度保守位点并采用组合序列以降低耐药风险。此外,mRNA 疫苗中 N1-甲基假尿苷修饰对免疫原性的成功调控,也从侧面证明了碱基/核糖修饰在“降低外源核酸免疫识别”方面的普遍价值。
在中枢神经系统与眼科领域,鞘内注射 ASO(nusinersen、tofersen)与玻璃体注射核酸药物开辟了局部给药的可行路径,规避了血脑屏障与血眼屏障对系统递送的阻碍。亨廷顿病(HTT 靶向 ASO)、肌萎缩侧索硬化(SOD1、C9orf72 靶向)、阿尔茨海默病(Tau、APP 靶向)以及眼科新生血管性疾病、遗传性视网膜病变的核酸管线均在推进。局部给药使药物直达靶组织、降低系统暴露,是肝外递送短期内最成熟的应用场景。
小核酸药物与小分子、抗体的模态比较
总体而言,小核酸药物的疾病版图遵循“肝脏罕见病优先、代谢慢病跟进、肝外与肿瘤攻坚”的节奏展开,其应用价值最终取决于序列—修饰—递送三者与疾病靶点生物学之间的匹配程度。
表 1-2 代表性已上市小核酸药物(部分)
药物
类型/化学平台
靶点
适应症
递送/给药
关键获批年份
Fomivirsen
ASO(PS)
CMV IE2 mRNA
CMV 视网膜炎
玻璃体注射
1998
Mipomersen
ASO(gapmer)
ApoB-100
纯合子家族性高胆固醇血症
皮下注射
2013
Nusinersen
ASO(MOE-PS)
SMN2 内含子
脊髓性肌萎缩症
鞘内注射
2016
Inotersen
ASO(gapmer)
TTR mRNA
hATTR 多发性神经病
皮下注射
2018
Patisiran
siRNA(LNP)
TTR mRNA
hATTR 多发性神经病
静脉输注
2018
Givosiran
GalNAc-siRNA
ALAS1 mRNA
急性肝卟啉症
皮下注射
2019
Lumasiran
GalNAc-siRNA
HAO1 mRNA
原发性高草酸尿症 1 型
皮下注射
2020
Inclisiran
GalNAc-siRNA
PCSK9 mRNA
动脉粥样硬化性心血管病
皮下注射
2020(欧盟)
Vutrisiran
GalNAc-siRNA
TTR mRNA
hATTR 多发性神经病
皮下注射
2022
Eplontersen
ASO(gapmer)
TTR mRNA
hATTR 多发性神经病
皮下注射
2023
Tofersen
ASO(MOE-PS)
SOD1 mRNA
SOD1-ALS
鞘内注射
2023
行业高速增长的驱动因素包括:化学修饰与递送技术成熟带来的疗效/安全性提升;大规模固相合成工艺进步使核酸药物成本持续下降;监管机构对罕见病 RNA 疗法的加速审评;以及 AI 辅助序列设计、生物信息学脱靶预测等数字化工具对研发效率的放大。可以预期,小核酸药物将在未来十年从罕见病走向常见慢性病,从肝脏走向肝外组织,形成多适应症、多给药途径、多技术平台并行的产业格局。1.3 现存核心技术瓶颈
尽管小核酸药物已取得突破性进展,其临床应用仍受制于五个核心技术瓶颈。
其一,天然核酸稳定性差。未经修饰的 RNA/DNA 在血清和细胞内环境中半衰期极短,可被核酸外切酶、核酸内切酶快速降解,导致给药后尚未到达靶器官即被清除。裸 siRNA 在血浆中的半衰期往往仅数分钟,这直接限制了其体内药效。
其二,靶向特异性不足与脱靶效应。短序列核酸在基因组中存在大量部分同源位点;siRNA 种子区(第 2–8 位)与 mRNA 3′ UTR 的部分互补可诱导 miRNA 样脱靶抑制,正义链若被加载进入 RISC 也可能沉默非预期靶点,ASO 的间隙区亦可与错配靶点发生 RNase H 切割。脱靶不仅造成毒性,还干扰药效学评价。
其三,细胞摄取效率低、体内递送困难。核酸分子带大量负电荷、分子量较大、亲水性强,难以被动穿过细胞膜,且进入内体后易被滞留并最终进入溶酶体降解,内体逃逸效率低下。肝外组织(肌肉、心脏、肾脏、中枢神经系统等)的靶向递送仍是重大挑战。
其四,免疫原性引发炎症反应。外源核酸可被 TLR3、TLR7、TLR8、TLR9、RIG-I、MDA5、PKR 等模式识别受体识别,激活天然免疫与炎症通路,导致发热、注射部位反应、血小板减少、肾毒性等不良事件。免疫原性既取决于序列基序(如 CpG、5′-三磷酸、富含 GU 序列),也取决于修饰方式与递送载体。
其五,药效持续时间短、毒副作用可控性差。未修饰核酸半衰期短,需频繁给药;同时,硫代磷酸酯等修饰可增强蛋白结合而延长循环时间,但也可能引起血小板、补体、凝血通路扰动及肝肾蓄积毒性。如何在延长半衰期、维持药效与降低系统毒性之间取得平衡,是成药性优化的核心。
需要强调的是,五大瓶颈在真实药物开发中并非孤立存在,而是以“瓶颈链”的方式共同抬高成药门槛:稳定性差会迫使加大剂量,高剂量又放大免疫原性与系统毒性;递送效率低迫使依赖载体,载体自身可能引入新的免疫与毒性信号;脱靶效应与免疫原性叠加,使安全窗进一步收窄。因此,任何只针对单一瓶颈的优化都难以单独实现临床突破,必须依靠“序列优化+化学修饰+递送设计”的多点协同。这一认识构成了本报告把序列优化与化学修饰作为两大主线、并在第五章系统讨论协同体系的根本原因。
天然核酸药物的五大核心瓶颈1.4 序列优化与化学修饰的研究价值
序列优化是提升药物靶向性、降低脱靶的核心基础。小核酸药物的活性与安全性首先由碱基序列决定:靶点是否保守、是否有单核苷酸多态性(SNP)或同源基因干扰、GC 含量是否适中、二级结构是否合理、种子区是否存在高脱靶风险、是否含有免疫激活基序,均直接决定候选分子的成败。序列层面的系统性优化可以在不改变化学骨架的前提下,显著提升结合亲和力、沉默效率与选择性。
化学修饰是改善稳定性、药代动力学与免疫原性的关键手段。核糖 2′-O-甲基(2′-OMe)、2′-氟(2′-F)、锁核酸(LNA)等糖环修饰可增强核酸酶抗性并调节结合亲和力;硫代磷酸酯(PS)骨架修饰可提高血浆稳定性、蛋白结合与组织分布;5′-端封端、3′-端修饰及 GalNAc、脂质、多肽等偶联可改善递送、延长半衰期并降低免疫识别。化学修饰使核酸分子从“易降解的分子生物学试剂”转变为“可成药的体内治疗剂”。
二者协同是突破临床应用瓶颈的核心技术路径。单独优化序列而未修饰的核酸难以在体内存活;单独修饰而未优化序列的核酸虽稳定,却仍可能脱靶或免疫原性偏高。只有将“序列—修饰—结构—药效—安全性”作为一个整体进行迭代优化,才能获得高效、长效、安全、可放大的临床候选药物。这正是本报告后续各章依次展开序列优化、化学修饰、协同体系与评价方法的逻辑主线。二、小核酸药物作用机制与结构基础2.1 核心作用机制
小核酸药物的基因调控机制可依据其分子形态与效应通路分为 RNAi 沉默、miRNA 网络调控、ASO 降解/空间位阻以及 CRISPR 基因编辑四类。
siRNA 的 RNAi 沉默机制。外源双链 siRNA 进入细胞后,被 Dicer 或直接装载入 RISC 装载复合体,经 AGO2 介导的“乘客链去除”选择保留向导链。向导链 5′ 端热力学稳定性较低的一端优先进入 AGO2,其 5′ 端第 2–8 位种子区介导初始靶标识别,配对完全时 AGO2 在向导链第 10–11 位相对处切割靶 mRNA,切割产物随即被核酸外切酶降解。siRNA 的作用是化学计量式的催化性循环——单个 RISC 可重复切割多个 mRNA,因此较低剂量即可实现显著沉默。
miRNA 的调控机制。 miRNA 初级转录本经 Drosha/DGCR8 加工为前体发夹,再经 Dicer 加工为双链,向导链进入 AGO 形成 miRISC。其种子区与靶 mRNA 3′ UTR 的互补配对决定靶标识别,通常导致翻译抑制与 mRNA 去腺苷酸化/降解。由于种子区仅 6–8 nt,单个 miRNA 可调控数十至数百个靶基因,形成网络化、剂量依赖、相对温和的调控模式。miRNA 药物开发的核心逻辑即利用或阻断这一内源网络。
ASO 的双重机制。 “gapmer”型 ASO 两端为化学修饰的“翼”(如 MOE、LNA),中间为 DNA“间隙”,与靶 RNA 结合后间隙区形成 RNA-DNA 异源双链,招募 RNase H1 切割 RNA,用于 mRNA 敲低。而“mixmer”或全长修饰 ASO 不招募 RNase H,而是通过空间位阻改变剪接位点选择、阻止翻译起始复合物组装、遮蔽 miRNA 结合位点或 polyA 信号,用于剪接校正、外显子跳跃或翻译上调。
CRISPR/Cas9–sgRNA 基因编辑机制。 sgRNA 的 spacer 与靶 DNA 互补配对,支架区招募 Cas9,Cas9 在 PAM(如 5′-NGG-3′)上游产生双链断裂;断裂经非同源末端连接(NHEJ)导致移码敲除,或经同源定向修复(HDR)实现定点整合。序列结构决定 sgRNA 的靶向效率、PAM 适用性与脱靶风险。
为更深入地理解“序列结构与功能对应关系”,有必要对四条核心通路的关键分子事件做进一步解析。
RISC 组装与链选择的分子细节。 siRNA 双链进入细胞后,首先与 Dicer 或直接与 TAR RNA 结合蛋白(TRBP)、PACT 等协同装载到 AGO2。AGO2 蛋白由 N 端、PAZ、MID 与 PIWI 四个结构域组成:MID 结构域结合向导链 5′ 磷酸,PAZ 结构域锚定向导链 3′ 端,PIWI 结构域携带 RNase H 样核酸内切酶活性。向导链选择遵循“末端热力学不对称”规则——5′ 端碱基对较弱(如 A/U 富集、末端错配)的那条链被保留为向导链,另一条链(乘客链)被 PIWI 的“切割酶活性”在特定位置切开并解离。因此,序列设计若能精确控制双链两端的末端碱基对强弱,就能“编程”哪条链进入 RISC,这是降低乘客链脱靶的分子基础。向导链装载后,其 5′ 端第 2–8 位“种子区”预先以 A 型螺旋构象暴露,用于初始靶标搜寻;靶 mRNA 结合后再发生 3′ 端配对延伸,最终形成完整的向导链—靶 mRNA 双链。
AGO2 催化切割的几何要求。 AGO2 的 PIWI 结构域切割位点位于向导链第 10–11 位碱基对应处。只有当向导链与靶 mRNA 在中部形成近乎完美的 Watson-Crick 配对时,靶 RNA 的易断裂磷酸二酯键才能被正确定位到催化中心;种子区或中央区的错配会破坏几何构型,显著降低切割速率。这解释了为何 siRNA 的“切割中心区”(第 9–12 位)对错配极其敏感,而 3′ 端错配相对可容忍——这一“分区分权”的特性正是第三章错配优化与特异性区分的理论依据。切割完成后,AGO2 释放切割产物并循环使用,单个 RISC 可切割多个靶 mRNA,赋予 siRNA 亚化学计量的高效沉默能力。
RNase H1 介导 ASO 降解的机制细节。 gapmer ASO 与靶 mRNA 结合后,其中央 DNA 间隙区与 RNA 形成 RNA-DNA 异源双链,该异源双链是 RNase H1 的特异性底物。RNase H1 通过其杂交结合结构域识别 RNA-DNA 双链的宽度与糖环构象差异,将其催化结构域正确定位于切割位点,水解靶 RNA 的磷酸二酯键。间隙区长度、修饰翼区与靶位点的可及性共同决定切割效率与特异性:间隙过短则亲和力不足,过长则特异性下降;翼区的 2′-MOE/LNA/cEt 修饰可增强结合并保护两端,但若延伸至间隙区则会抑制 RNase H1 识别。由此形成 ASO 的经典“gapmer 设计空间”——在“亲和力、特异性、RNase H 兼容性”之间做三维权衡。
miRNA 生物发生与网络调控的补充说明。内源 miRNA 基因由 RNA 聚合酶 II 转录为 pri-miRNA,经核内 Drosha/DGCR8 复合物切割为约 70 nt 的前体发夹,再经 Exportin-5 转运至胞质,由 Dicer 切割为约 22 bp 双链,向导链装载入 AGO 形成 miRISC。miRISC 主要通过两种机制沉默靶基因:一是 GW182/TNRC6 募集 CCR4-NOT 与 PAN2-PAN3 去腺苷酸化复合物,启动 mRNA 去尾与降解;二是抑制翻译起始。由于种子区仅 6–8 nt,单个 miRNA 可靶向数百个 mRNA,形成冗余、稳健的调控网络。这一“广谱”特性使 miRNA 药物适合多基因疾病,但也要求其药理学评价必须超越单一靶基因,上升到“网络扰动与表型恢复”层面。
序列—结构—功能的对应关系总结。综合以上机制,可将“序列特征→功能后果”的映射归纳为若干可操作规则:siRNA 向导链 5′ 端弱配对决定正确链装载;种子区序列决定靶标搜寻与脱靶谱;第 9–12 位完全配对决定切割效率;3′ 端错配用于区分近同源物。ASO 的间隙区 DNA 长度决定 RNase H1 兼容性;翼区修饰决定亲和力与稳定性;靶位点单链可及性决定结合速率。sgRNA 的 spacer 与 PAM 邻近序列决定靶向效率与脱靶;支架区结构决定 Cas 装载。这些规则共同构成后文序列优化与化学修饰设计的分子逻辑框架。
siRNA种子区与脱靶控制2.2 天然小核酸结构缺陷原理
天然 RNA/DNA 分子在体内难以直接成药,其缺陷可从五个分子结构层面解析。
磷酸二酯键易被降解。核酸主链中的 3′,5′-磷酸二酯键是多种核酸酶的水解靶点。血清与组织中的核酸外切酶从 5′ 端或 3′ 端逐步切除核苷酸,核酸内切酶在链内切割,导致未修饰核酸半衰期极短。
核糖 2′-羟基引发不稳定性。 RNA 核糖的 2′-OH 是区别于 DNA 的关键官能团,既可作为亲核基团在碱催化下攻击邻近磷酸二酯键发生自切割,也可与核酸酶活性位点形成氢键促进酶解,同时增加构象柔性,不利于形成稳定双链。
碱基配对容错率高导致脱靶。 Watson-Crick 配对本身具有较强的错配耐受性,尤其在种子区或间隙区,部分错配仍可维持一定结合与切割活性,导致同源序列、旁系同源基因或非预期转录本被误靶。
核酸骨架带电特性导致细胞穿透能力弱。磷酸骨架在中性 pH 下带大量负电荷,与细胞膜磷脂双层表面负电荷相斥,且核酸亲水性强、流体力学半径大,难以被动扩散入胞,必须依赖载体或受体介导内吞。
外源核酸引发天然免疫识别。双链 RNA、5′-三磷酸单链 RNA、富含 GU 序列及未甲基化 CpG 基序可被 TLR、RIG-I、MDA5、PKR 等识别,激活干扰素通路与 NF-κB 炎症通路。天然结构中的这些“免疫刺激信号”必须在序列设计与化学修饰中被系统剔除或掩蔽。
上述五大缺陷并非彼此独立,而是通过“结构—酶—免疫”网络相互放大。例如,磷酸二酯键的水解敏感性与核糖 2′-OH 的存在共同构成核酸酶识别的分子基础:核酸酶活性中心的多个残基通过氢键与金属离子同时锚定磷酸氧原子与 2′-OH,二者缺一都会显著降低水解速率,这正是 2′-修饰(移除 2′-OH)与 PS 修饰(替换非桥氧)能大幅提升稳定性的结构原因。又如,负电荷骨架既是细胞摄取障碍的根源,也是核酸与阳离子递送载体(可电离脂质、聚合物、多肽)静电组装的驱动力,因此“带电缺陷”同时孕育了“递送解决方案”。再如,天然免疫识别既依赖序列基序,也依赖双链/三磷酸等结构信号,这意味着序列优化(剔除基序)与化学修饰(掩蔽结构信号)可以协同降低免疫原性。理解缺陷之间的耦合关系,有助于在优化中采取“多点协同”而非“单点修补”的策略。
天然RNA 不稳定的结构来源三、小核酸药物序列优化策略
序列优化是小核酸药物研发的第一道“设计关”,其核心目标可归纳为五个方面:提升靶向特异性,确保活性分子只识别预定靶 RNA 而不误伤旁系同源基因;降低脱靶效应,系统性抑制种子区介导的 miRNA 样沉默、正义链误装载与间隙区错配切割;优化结合亲和力,在保证特异性的前提下获得足够的热力学驱动力与切割效率;减少免疫激活,剔除或掩蔽 CpG、富含 GU、5′-三磷酸等天然免疫刺激基序;适配体内环境,使序列在生理离子强度、温度与蛋白竞争条件下仍保持稳定构象与功能。需要强调,序列优化的对象并非孤立的“字符串”,而是碱基序列—二级结构—修饰位点—药代动力学之间的多变量联合问题,因此必须采用“计算预测—实验验证—迭代收敛”的闭环流程。3.1 靶点筛选与序列初筛优化
靶点选择是小核酸药物设计的逻辑起点。与化学药先有“可结合口袋”再反推靶点不同,小核酸药物理论上可以靶向任何序列已知的转录本,但实践中并非所有位点都“可成药”。一个高质量的靶位点通常需要同时满足保守性、可及性、特异性与功能相关性四项条件。
靶基因保守区域筛选。为兼顾跨物种验证与避免单核苷酸多态性(SNP)干扰,序列设计应优先选择靶基因编码区或关键调控区的保守片段。对以人类患者为对象的药物,需避开人群高频 SNP 位点,否则携带变异等位基因的患者可能因配对错配而失去药效;对需要动物模型做毒理与药效验证的候选药物,应优先选择人—鼠—猴之间高度保守的片段,保证临床前结论可外推至临床。实际操作中通常使用 Ensembl、NCBI RefSeq、UCSC Genome Browser 提取多物种同源序列,并以 Clustal Omega、MUSCLE 等工具进行多重比对,标记保守区段。
mRNA 二级结构与可及性筛选。细胞内 mRNA 并非完全舒展的线性分子,而是折叠为复杂的二级与三级结构,并与 RNA 结合蛋白(RBP)形成核糖核蛋白复合物。靶位点若深埋于稳定茎区或被蛋白遮蔽,siRNA/ASO 将难以接近,沉默效率显著下降。早期经验性设计常“均匀扫描”整条 mRNA,但大量研究证明,位于茎环、内部环、凸起等单链区域的位点更易被识别。现代设计流程普遍采用 RNAfold、RNAstructure、mfold 等软件预测 mRNA 最小自由能结构与单链概率,结合高通量实验(如 RNA 可及性芯片、SHAPE 化学探针、DMS 足迹法)实测可及性,将“结构可及性得分”作为位点排序的首要过滤条件。
蛋白结合位点与功能元件的利用与规避。一方面,靶位点应尽量避开强 RBP 结合区,以免形成“蛋白屏蔽”;另一方面,某些功能性顺式元件(如 miRNA 结合位点、外显子剪接增强子/沉默子、polyA 信号)本身具有生物学意义,ASO 类药物常选择这些元件作为空间位阻调控的锚点,例如 nusinersen 靶向 SMN2 内含子 7 的 ISS-N1 剪接沉默元件,阻断负调控剪接因子结合,使 SMN2 外显子 7 被纳入成熟 mRNA,实现功能蛋白恢复。
规避同源序列与重复序列。人类基因组中存在大量旁系同源基因、假基因与重复元件,若靶位点与这些序列存在高度相似性,脱靶概率将显著上升。初筛阶段须以 BLAST、Bowtie、STAR 等将候选反义序列比对到转录组与基因组,剔除与任何非靶转录本存在连续高互补(尤其种子区完全配对)的位点,并避开 Alu、LINE、低复杂度序列与 microsatellite 重复区。同时应选择跨越外显子—外显子接合区的序列,以优先靶向成熟 mRNA 而减少对前体 RNA 与基因组 DNA 的非预期作用。
生物信息学数据库与预测软件集成。现代序列初筛已高度工具化,典型流程为“RefSeq/Ensembl 获取转录本→多重比对定位保守区→RNAfold 预测结构→BLAST 排除同源→TargetScan/miRanda评估种子区风险→打分排序→人工复核”。工具的选择取决于药物类型:siRNA 设计常用 siDirect、DSIR、ThermoComposition、siRNA Scales、siSPOTR 等;ASO 设计常用 RNAstructure、OligoWalk、Sfold;sgRNA 设计常用 CRISPRscan、CHOPCHOP、CRISPick、GuideScan、FlashFry 等。需要指出,不同工具的评分模型各有偏倚,应采用“多工具投票+实验验证”策略,避免单一算法过拟合。
靶点选择的可靠性还依赖人类遗传学证据的支撑。人类功能缺失(LOF)突变数据库、全基因组关联研究(GWAS)与孟德尔随机化分析可提供“抑制该基因是否安全、是否有效”的前瞻性证据:若某基因的功能缺失突变在人群中表现为保护性表型(如 PCSK9、ANGPTL3、LPA 的 LOF 与低血脂相关),则靶向敲低该基因的安全性顾虑较小;反之,若 LOF 导致严重发育缺陷或致死,则需谨慎评估其作为药物靶点的风险。这一“遗传学先行”的靶点筛选逻辑,显著降低了小核酸药物进入临床后的机制性安全风险,也是现代靶点验证的重要组成部分。对于肿瘤等体细胞突变驱动的疾病,靶点证据则更多来自功能基因组筛选(如 CRISPR 敲除筛选、RNAi 筛选)与肿瘤依赖图谱,用以识别“合成致死”或“癌基因依赖”类靶点。将遗传学证据与序列可设计性、递送可达性三者结合,才能完成从“可靶基因”到“可成靶点”的转化。
表 3-1 小核酸序列设计常用数据库与工具
类别
代表工具/数据库
主要功能
适用药物类型
序列获取与比对
NCBI RefSeq、Ensembl、UCSC
转录本序列、多物种比对、SNP 注释
全部
同源/脱靶搜索
BLAST、Bowtie、STAR、BLAT
转录组/基因组同源性检索
siRNA、ASO、sgRNA
结构预测
RNAfold、mfold、RNAstructure
最小自由能结构、单链可及性
siRNA、ASO
siRNA 设计
siDirect、DSIR、siSPOTR、ThermoComposition
沉默效率、脱靶、热力学打分
siRNA、shRNA
ASO 设计
OligoWalk、Sfold、RNAstructure
可及性、结合自由能
ASO
sgRNA 设计
CHOPCHOP、CRISPRscan、CRISPick、GuideScan
活性、脱靶、PAM 筛选
sgRNA
免疫基序筛查
序列扫描(自建规则库)
CpG、GU-rich、5′-ppp 识别
全部3.2 碱基序列精准优化
在完成初筛后,还需对候选序列进行“碱基级”精修。精修的目的是在保持核心互补区不变的前提下,通过碱基增减、定向突变与组成调控,进一步压降脱靶、优化热力学性质、提升成药性。
碱基精简与冗余序列剔除。核酸链中并非每个碱基都同等重要:siRNA 的向导链 5′ 端种子区与切割位点附近对靶标识别至关重要,而 3′ 端部分碱基对切割效率影响相对较小;ASO 的间隙区长度直接决定 RNase H1 招募能力,翼区则决定亲和力与稳定性。设计时应去除非功能片段、缩短无效序列,例如在保证互补特异性的前提下将 siRNA 双链从 27 bp 的长双链精简为 19–21 bp 的经典结构,或对 Dicer 底物 siRNA 的悬垂、发夹、双链长度进行优化,减少合成成本与免疫激活面。冗余序列剔除还涉及“非靶功能性区域”的回避,例如避免将活性链末端延伸至可能形成自配对或与内源小 RNA 同源的区段。
碱基突变与错配优化。序列优化并非追求“完全互补”这一单一目标。合理引入可控错配可显著降低与旁系同源基因的结合概率,同时又不能导致对真正靶标的药效丧失,因此错配的位置与类型必须精细设计。研究表明,向导链种子区或中央区的错配对沉默活性的破坏远大于 3′ 端错配,因此用于“差异化区分靶标与同源物”的错配通常被放置在向导链 3′ 端或乘客链,以便在不损伤靶标切割的前提下破坏与近同源转录本的稳定配对。反之,若同源基因与靶基因仅在个别位点差异,可把该差异位点置于向导链第 10–11 位切割中心附近,利用 AGO2 对中央区严格配对的依赖实现“以单碱基差异完成选择性切割”。同时要避免完全错配或大面积错配导致药效完全丧失,避免形成新的意外种子区。
GC 含量调控。 GC 含量通过影响双链热力学稳定性、二级结构倾向与溶解度三方面制约成药性。GC 含量过高(如 >60%)会使双链过稳定,细胞内解链效率下降,RISC 装载受阻,同时易形成分子内 G-四链体或强二级结构;GC 含量过低(如 <30%)则结合亲和力不足、特异性下降,且富含 AU 的序列易被快速降解、易触发免疫识别。一般而言,siRNA 双链与 ASO 的 GC 含量以 30%–55% 为佳,sgRNA 的 spacer 区 GC 含量以 40%–60% 为宜,同时避免连续 G/C 长片段与极端低复杂度区。常用做法是在初筛候选集中按 GC 含量分层,再结合 Tm 与 ΔG 联合筛选。
表 3-2 GC 含量与热力学参数的参考区间
参数
推荐区间
过高/过低的主要风险
总体 GC 含量
30%–55%(siRNA/ASO)
过高解链难、易成强二级结构;过低亲和力不足、易降解
sgRNA spacer GC
40%–60%
过高脱靶增多、编辑效率下降;过低特异结合不足
双链 Tm
室温以上、低于生理环境稳定上限
过稳阻碍 RISC 装载;不稳导致提前解链
5′ 端热力学不对称性
反义链 5′ 端弱配对(A/U 富集)
决定向导链优先进入 AGO2 的装载偏向
连续 G/C 片段
尽量避免连续 ≥4 nt
形成 G-四链体、非特异堆积
末端热力学不对称性的“末端规则”。对 siRNA 而言,正义链(乘客链)与反义链(向导链)哪一条被 AGO2 保留,由双链两端热力学稳定性之差决定:5′ 端相对不稳定的一端(即末位碱基对更弱、A/U 富集)优先作为向导链。因此设计时应故意使反义链 5′ 端的末位碱基对热力学较弱,使向导链正确装载,从而抑制乘客链误装载导致的脱靶。这一规则被写入几乎所有主流 siRNA 设计算法,是序列精修中最具可操作性的“结构—功能”映射之一。3.3 二级结构优化
核酸的二级结构既影响其与靶标的结合,也影响其自身装载、酶识别与稳定性。二级结构优化的核心是“让分子在需要时保持舒展可结合,在需要时维持稳定双链”。
规避异常二级结构。单链 ASO、sgRNA 与 siRNA 单链区若自身折叠形成发夹、茎环、凸起或错配环,将竞争性占用碱基,降低与靶标的有效互补。设计时应采用 RNAfold 等预测分子内最小自由能结构,剔除在功能核心区(如 siRNA 种子区、ASO 间隙区、sgRNA 的 spacer 区)存在自配对或稳定发夹的候选序列;对难以避免的自配对,可通过改变碱基组成、引入错配或缩短链长打破异常折叠。发夹结构虽在 shRNA 中作为“茎环前体”是有意设计,但其茎长、环长与环序列均需精确调控,环区过长或过短都会影响 Dicer 加工效率与沉默活性。
调控双链退火稳定性。 siRNA 双链的退火稳定性需在“足以结合靶 mRNA”与“在 RISC 装载时可正常解链”之间取得平衡。过高的双链稳定性会抑制乘客链解离与向导链装载,过低的稳定性则使双链在体内提前解链。常用手段包括调控 GC 含量、末端碱基对强弱、以及后期化学修饰(如 LNA 增强稳定性、UNA 降低稳定性)。sgRNA 的支架区(scaffold)折叠为与 Cas 蛋白相互作用的三维结构,其二级结构破坏会直接使 Cas9 无法装载,因此 sgRNA 支架区通常保持高度保守,优化的自由度主要集中在 spacer 区。
平衡靶标结合与解链效率。核酸药物在体内并非单纯追求“结合越紧越好”:RNase H1 与 AGO2 都需要在被切割位点形成特定几何构型,过强或位置不当的配对可能改变切割位点的取向,反而降低催化效率。因此序列优化要“按功能分区”设定热力学目标——靶标识别区保证足够特异性,切割中心区保持正确构象,末端区维持适度柔性。多目标打分函数(如同时最大化特异结合自由能、最小化非特异结合自由能)已在近年设计工具中被广泛采用。3.4 脱靶效应专项优化
脱靶效应是制约小核酸药物安全性与可解释性的核心难题,其来源多样:siRNA 种子区与 3′ UTR 的部分互补可产生 miRNA 样翻译抑制;乘客链误装载可沉默非靶基因;ASO 间隙区与错配靶点可被 RNase H1 切割;高浓度核酸还可能竞争性占用内源 RISC 或 RNase H,干扰内源小 RNA 通路。脱靶专项优化需从比对、链偏向与免疫基序三个层面协同推进。
序列同源性比对与脱靶风险预测。对所有候选反义序列,须在转录组水平穷举可能的互补位点,并按“完全互补位点、种子区完全配对位点、部分错配位点”分层评估风险。高风险的脱靶位点包括:与向导链种子区(2–8 位)完全配对的 mRNA 3′ UTR、与间隙区高度互补的编码区、以及存在于关键组织高表达基因上的部分互补位点。近年开发的高通量实验手段,如 RISC 免疫沉淀结合 RNA 测序(Ago-HITS-CLIP)、脱靶报告系统、CIRCLE-seq/ONE-seq 等,使脱靶预测从纯计算走向“计算预测+实验注释”,显著提高了模型准确度。
正义链/反义链偏向性优化。抑制脱靶的另一个重要策略是“链选择性装载”。通过末端热力学不对称性、正义链 5′ 端修饰(如 5′-OMe 阻断磷酸化)、正义链错配或引入 UNA,使正义链失去进入 AGO2 的能力,从而降低乘客链介导的脱靶。对 ASO 而言,则通过调节间隙区与翼区的修饰组合,控制 RNase H1 招募的严格程度,使非完全互补靶点难以被切割。
规避免疫激活序列基序。天然免疫系统对外源核酸的识别高度依赖特定序列与结构基序:未甲基化 CpG 二核苷酸被 TLR9 识别,富含 GU 的单链 RNA 被 TLR7/8 识别,5′-三磷酸 RNA 被 RIG-I 识别,长双链 RNA 被 TLR3/PKR/MDA5 识别。序列优化应系统筛查并剔除或分散这些基序:尽量避免 CpG 连续出现(或在 ASO 中采用 5-甲基胞嘧啶修饰掩蔽)、减少 GU 富集区、对 5′ 端做封端或去磷酸化、控制双链长度与序列组成。值得注意的是,某些化学修饰(如 2′-OMe、LNA、PS)本身即可降低免疫刺激,因此免疫规避是序列与修饰联合作用的结果。
脱靶评估的实验方法学也在快速演进。对 siRNA,Ago2 免疫沉淀结合高通量测序可直观揭示向导链真实结合的转录本位点,是评估种子区脱靶的“金标准”之一;RISC 装载偏好可通过双链两端分别标记的报告系统测定;对 ASO,RNase H1 切割依赖的脱靶可通过全转录组测序与 5′ RACE 共同确认切割位点;对 sgRNA,GUIDE-seq、CIRCLE-seq、Digenome-seq、DISCOVER-seq 等体外/体内脱靶检测方法可对 Cas 切割位点进行无偏捕获。将预测模型与这些实验方法结合,形成“预测提名高风险位点—实验验证—反哺模型”的闭环,是当前脱靶专项优化的最佳实践。值得注意的是,脱靶的临床相关性最终取决于“非靶基因是否在给药组织表达、其下调是否引起表型毒性”,因此脱靶率不能仅以“转录本数量”论高低,而应加权到关键安全相关基因与功能通路。3.5 序列优化验证体系
序列优化不能停留在预测层面,必须建立“计算—体外—细胞—在体”的递进验证体系,确保每一轮优化都有可量化指标闭环。
体外细胞水平验证。以靶细胞或报告细胞系转染候选分子,通过 RT-qPCR、RNA-Seq、Western blot、荧光素酶报告系统等测定靶基因沉默效率与剂量—效应关系;以 5′ RACE、切割产物测序确认切割位点正确;以 RISC 装载实验(Ago2 免疫沉淀)验证向导链选择正确性。脱靶率验证可采用“种子区报告基因库”或全转录组测序,统计非靶基因的表达扰动谱。
生物信息学模拟预测。在合成前用工具预测结合自由能、二级结构、热力学不对称性、脱靶位点与免疫基序,形成“虚拟筛选短名单”,将实验资源集中于最有希望的候选分子。近年机器学习模型(如 siRNA 沉默效率回归模型、ASO 活性预测模型、sgRNA 活性预测模型)已可将候选分子按预测活性排序,大幅减少合成与测试数量。
候选序列筛选与迭代闭环。典型流程为“设计—合成小批量候选—并行活性/脱靶/毒性初筛—统计建模—反馈修正设计规则—下一轮合成”。每轮迭代通常保留活性前 10%–20% 的分子进入后续修饰阶段,同时积累“序列特征—活性/毒性”的配对数据,反哺设计算法。经过 2–4 轮迭代,可获得特异性、活性与成药性均衡的“候选母核序列”,为第四章的化学修饰奠定基础。
小核酸序列优化全流程四、小核酸药物化学修饰策略
化学修饰是将“可编程的核酸分子”转化为“可成药的体内治疗剂”的核心工程。其目标可概括为五点:提升核酸稳定性,抵抗血清与胞内核酸酶的降解;改善药代动力学,延长循环半衰期、优化组织分布与代谢清除;降低免疫原性,掩蔽天然免疫刺激基序与结构;增强细胞摄取,通过受体介导内吞或偶联靶向实现组织富集;延长半衰期与药效持续时间,支持低频给药与慢性病管理。化学修饰的本质是对核糖、碱基、磷酸骨架与链末端进行“定点化学改造”,在保留 Watson-Crick 识别能力的同时改变分子的理化、酶学与免疫学性质。修饰类型繁多,需按“核糖—骨架—碱基—末端—偶联”五类系统理解,并在实际药物中组合应用。4.1 核糖修饰
核糖 2′-位是 RNA 区别于 DNA 的关键位点,也是核酸酶识别与水解的重要位点,因此成为化学修饰最集中的改造对象。核糖修饰主要改变糖环构象(C2′-endo/C3′-endo平衡)、2′-位取代基性质与分子刚性,从而影响核酸酶抗性、双链稳定性与免疫原性。
2′-O-甲基修饰(2′-OMe)。 2′-OMe 将核糖 2′-OH 替换为 2′-OCH3,是最经典、成本最低、应用最广的核糖修饰之一。2′-OMe 是天然存在的 RNA 修饰(存在于 rRNA、tRNA 与 snRNA),免疫原性极低;甲基的位阻与疏水性可阻碍核酸酶接近磷酸二酯键,显著提升核酸酶稳定性;同时使糖环偏向 C3′-endo 构象,可适度增强与 RNA 的互补亲和力。由于 2′-OMe 是内源修饰、耐受性好,它被广泛用于 siRNA 双链的正义链与反义链、ASO 的翼区以及 GalNAc-siRNA 的全链修饰。需注意,高密度 2′-OMe 可能降低与部分靶标的结合或影响 RISC 装载,因此常与其他修饰交替使用以平衡活性。
2′-氟修饰(2′-F)。 2′-F 以氟原子取代 2′-OH,氟的电负性与小体积使其兼具“类 2′-OH 构象”与“非水解”特性。2′-F 使糖环稳定在有利于形成 A 型 RNA 双链的 C3′-endo 构象,从而显著增强碱基配对亲和力、提升双链热稳定性与药效;同时氟原子不可被核酸酶识别,提供极高的酶抗性。2′-F 常与 2′-OMe 交替铺设在 siRNA 全链(如 patisiran 采用的 2′-OMe/2′-F 组合),既获得亲和力提升,又规避单一修饰的构象失衡。2′-F 的潜在关注点在于长期高剂量下的组织蓄积与代谢物安全性,需在毒理评估中系统考察。
锁核酸修饰(LNA)。 LNA 在核糖 2′-O 与 4′-C 之间以亚甲基桥形成“锁环”,将糖环刚性锁定为 C3′-endo 构象。LNA 的每个修饰位点可显著提升双链 Tm(单修饰点约升高 3–8 ℃),大幅增强结合亲和力、靶标特异性与核酸酶抗性,因此常用于 ASO 的翼区、抗 miRNA 的 antimiR 以及需要短链高亲和力的场景(如靶向 miRNA 的 LNA 探针与 gapmer)。LNA 的代价是过高的亲和力可能导致脱靶结合与肝毒性(已观察到部分高剂量 LNA-ASO 的肝毒性信号),且不能形成可被 RNase H1 识别的 RNA-DNA 双链,因此 LNA 通常只用于翼区而不用于间隙区。同类“双环糖”修饰还包括 2′,4′-桥接的 ENA(2′-O,4′-C-ethylene-bridged nucleic acid)。
解锁核酸(UNA)与约束乙基(constrained ethyl, cEt)。 UNA 在核糖 2′-3′ 键之间“开环”,去除 2′-O 与 3′-C 之间的化学键,使糖环失去刚性、构象更灵活。UNA 的引入会降低双链 Tm 与结合亲和力,常用于 siRNA 正义链 5′ 端以阻断磷酸化、抑制乘客链装载,从而降低脱靶;也可用于降低 LNA 过强结合带来的毒性。cEt 则在 2′-O 与 4′-C 之间引入乙基桥,属“第二代 LNA 类似物”,兼具高亲和力与更好的耐受性,已用于多个临床 ASO 的翼区。此外,2′-O-甲氧乙基(2′-MOE)是 ASO 最常用的核糖修饰之一,其 2′-O 上连接甲氧乙基链,兼顾核酸酶抗性、适中的亲和力提升与良好的药代/毒理特征,nusinersen、inotersen、eplontersen 等药物均大量采用 MOE 修饰。
表 4-1 主要核糖修饰的原理、优势与局限
修饰
化学改造
构象/亲和力
主要优势
主要局限
典型应用
2′-OMe
2′-OH→2′-OCH3
偏向 C3′-endo,亲和力↑
天然修饰、免疫原性低、成本低
高密度可能降低活性
GalNAc-siRNA、ASO 翼区
2′-F
2′-OH→2′-F
稳定 C3′-endo,亲和力↑↑
酶抗性极强、药效提升
长期蓄积安全性待评估
patisiran 等 siRNA
LNA
2′-O–4′-C 亚甲基桥
刚性 C3′-endo,亲和力↑↑↑
单点大幅升 Tm、短链高亲和
肝毒性风险、不能用于 RNase H 间隙
antimiR、ASO 翼区
cEt
2′-O–4′-C 乙基桥
高亲和、耐受较好
二代 LNA,安全窗更宽
合成较复杂
临床 ASO 翼区
MOE
2′-O-甲氧乙基
亲和力温和↑
药代/毒理平衡好
链长偏大
nusinersen 等 ASO
UNA
2′-3′ 开环
亲和力↓、构象灵活
阻断乘客链装载、降脱靶
降低靶标结合
siRNA 正义链 5′ 端4.2 核酸骨架修饰
核酸骨架是负电荷与酶解位点的集中所在,骨架修饰通过改变磷酸二酯键的化学性质,直接影响核酸酶抗性、蛋白结合、药代动力学与细胞摄取。
硫代磷酸酯修饰(PS)。 PS 将磷酸二酯键中的非桥氧原子替换为硫原子,是 ASO 药物中最普遍、最成熟的骨架修饰。PS 的硫原子可显著抵抗核酸外切酶与核酸内切酶的水解,使裸 ASO 在血浆中的半衰期从数分钟延长至数小时以上;更重要的是,PS 骨架与血浆蛋白(白蛋白、α2-巨球蛋白等)产生较强的疏水/静电结合,从而降低肾小球滤过清除、延长循环时间并促进组织分布(尤其肝脏、肾脏)。PS 的代价是“非特异蛋白结合”带来的潜在毒性,如补体活化、血小板减少、凝血时间延长与注射部位反应;同时每个 PS 键引入手性中心(Sp/Rp 异构体),不同立体构型的活性与毒性存在差异,近年发展出的“立体纯 PS”(如 P-stereopure ASO)可通过控制手性进一步优化安全窗。PS 通常铺设在 ASO 两端翼区与间隙区的连接处,用于抗外切酶而非全链替换,以平衡稳定性与毒性。
PS 骨架的立体化学是一个容易被忽视却至关重要的维度。每个硫代磷酸酯键在磷原子上引入 Sp 与 Rp 两种构型,一条含多个 PS 键的寡核苷酸实际上是大量非对映异构体的混合物。不同立体构型的 PS 键对核酸酶抗性、RNase H 识别与血浆蛋白结合的贡献不同:部分构型可优化靶标切割活性,部分构型则与更强的非特异蛋白结合、补体活化或血小板减少相关。传统合成得到的是随机立体混合物,其活性与毒性是各构型的“加权平均”,安全窗可能被“劣质构型”拖累。近年发展的“立体纯 PS”(P-stereopure)技术可逐位控制 PS 键构型,使研究者能在保持或增强药效的同时,筛选出蛋白结合毒性更低的构型组合,从而在不改变序列与大体修饰格局的前提下显著拓宽治疗窗。这一进展深刻说明:化学修饰的优化精度正在从“修饰类型与密度”向“单键立体化学”下沉,序列—修饰—构型的联合空间为下一代 ASO/siRNA 提供了新的优化自由度。
甲基膦酸酯骨架修饰。甲基膦酸酯将磷酸二酯键中的带负电氧替换为不带电的甲基,使骨架呈电中性,从而降低电荷密度、改善细胞膜穿透性,并抵抗核酸酶水解。其缺点是水溶性下降、蛋白结合能力减弱,且电中性骨架无法招募 RNase H1,因此甲基膦酸酯类寡核苷酸主要用于空间位阻型 ASO 或作为研究工具,临床应用相对有限。
磷酰二胺吗啉代寡核苷酸(PMO)与肽核酸(PNA)。 PMO 以吗啉环取代核糖、以不带电的磷酰二胺键连接,整个分子呈电中性,具有极强的核酸酶抗性与良好的安全性,但不招募 RNase H,主要通过空间位阻阻断翻译或调控剪接。eteplirsen、golodirsen、viltolarsen、casimersen 等 DMD 外显子跳跃药物均采用 PMO 骨架。PNA 则以肽骨架取代糖—磷酸骨架,同样电中性、高亲和、高酶抗,但溶解性与细胞摄取是主要限制,目前多用于诊断、分子工具与部分研究性治疗。骨架修饰的选择本质上是在“酶抗性/药代”与“电荷/摄取/RNase H 兼容性”之间做权衡,PS 因同时保留负电荷并兼容 RNase H 而成为 mRNA 敲低型 ASO 的主流选择,PMO/PNA 则服务于纯空间位阻型应用。4.3 碱基修饰
碱基修饰在保留 Watson-Crick 配对能力的前提下,对嘌呤、嘧啶的侧链进行改造,以降低免疫识别、提升结构稳定性与改善生物相容性。
5-甲基胞嘧啶(5-mC)。 5-mC 将胞嘧啶 5 位氢替换为甲基,是 DNA 与 RNA 中天然存在的表观修饰。5-mC 可显著降低 CpG 基序对 TLR9 的激活,从而抑制免疫刺激;同时适度增强 GC 碱基对的堆积与双链稳定性。5-mC 被广泛用于 ASO 与 siRNA 中以掩蔽 CpG 免疫原性,是“序列优化剔除基序”之外的化学补救手段。
假尿苷(pseudouridine, Ψ)与 5-甲基尿苷。 Ψ 是尿苷的 C-C 糖苷异构体,将碱基—核糖连接从 N1-C1′ 转为 C5-C1′。Ψ 可增强碱基堆积、提高双链稳定性、降低 RNase 对含 Ψ 链的识别,并显著降低体外转录 RNA 的免疫原性。Ψ 及 N1-甲基假尿苷(N1mΨ)在 mRNA 疫苗与 mRNA 治疗中大放异彩,通过削弱 TLR/RIG-I 对体外转录产物的识别而改善耐受性与翻译效率;在核酸药物中,碱基修饰可与核糖修饰协同进一步压低免疫刺激。
稀有碱基引入与生物相容性优化。 2-氨基腺嘌呤(2-aminoadenine,形成三氢键 A-T 类似物)、G-clamp、5-丙炔基修饰、2-硫代胸腺嘧啶等稀有碱基可通过增强配对强度或改变碱基识别特异性,优化核酸的水溶性、热稳定性与靶标区分能力。碱基修饰的设计原则是“修饰不破坏配对、不引入新表位、不增加代谢毒性”,并优先选择内源已存在的修饰(如 5-mC、Ψ、m6A 相关基团)以降低免疫与毒理风险。碱基修饰通常不是独立的“主力修饰”,而是与核糖、骨架修饰联合使用,用于精细调节免疫原性与亲和力。
碱基修饰的免疫学意义在 mRNA 疫苗时代得到了一次大规模临床验证。体外转录 RNA 因含有未修饰核苷酸与 5′-三磷酸等信号,可被 TLR3、TLR7/8、RIG-I 与 PKR 识别,引发炎症并抑制翻译;以 N1-甲基假尿苷(N1mΨ)替换尿苷后,RNA 的免疫识别显著下降、翻译效率与稳定性提升,这一策略在 mRNA 新冠疫苗中被广泛应用并经受住数十亿剂次的安全性检验。尽管小核酸药物与 mRNA 疫苗的作用机制不同(前者依赖互补配对执行沉默,后者依赖翻译表达蛋白),但二者共享“外源 RNA 免疫原性可由碱基/核糖修饰调控”的化学原理。对小核酸药物而言,5-mC 与 Ψ 类修饰主要用于掩蔽 CpG 与降低免疫刺激,其效果需与序列层面的免疫基序剔除叠加评估;对稳定性要求更高的场景,碱基修饰还可通过增强碱基堆积、降低构象柔性间接提高双链稳定性。碱基修饰的另一重要方向是“功能化碱基”——在碱基侧链引入可被特定酶识别或可逆反应的基团,为前药激活、定点交联与可编程降解提供化学把手,这是未来精准修饰的重要生长点。4.4 末端修饰与偶联修饰
核酸链的 5′ 与 3′ 端是核酸外切酶优先攻击的位点,也是功能性偶联的天然锚点。末端修饰与偶联修饰分别解决“存留时间”与“组织递送”两大问题。
末端封端修饰。 5′ 端与 3′ 端的封闭可有效阻止核酸外切酶降解,延长体内留存时间。常用手段包括:3′ 端反向脱氧胸苷(inverted dT,3′-3′ 连接)、3′-3′ 反向核苷、5′ 端磷酸化阻断(如 5′-OMe、5′-氨基、5′-cap 类似物)、以及末端的 PS 键或核糖修饰。对 siRNA 而言,正义链 5′ 端磷酸化是进入 AGO2 的必要条件,因此对正义链 5′ 端做修饰以阻断磷酸化是抑制乘客链装载、降低脱靶的重要策略;反义链 5′ 端则需保留可磷酸化能力以保证向导链功能。末端封端通常与全链修饰叠加,共同延长体内半衰期。
功能分子偶联修饰。将靶向配体或功能分子共价连接到核酸链,可实现受体介导的组织特异性递送、提升细胞摄取并降低全身毒副作用。最具代表性的偶联分子包括:
● GalNAc(N-乙酰半乳糖胺)偶联。 GalNAc 是与肝细胞表面去唾液酸糖蛋白受体(ASGPR)高亲和结合的糖配体。将三触角(triantennary)GalNAc 偶联至 siRNA/ASO 的正义链 3′ 端(或经合适连接子),可实现皮下给药后的高效、特异肝细胞摄取与快速内体逃逸,使单次给药药效持续数月。givosiran、lumasiran、inclisiran、vutrisiran、nedosiran 等 GalNAc-siRNA 均采用这一平台,其化学结构通常为“三触角 GalNAc—连接子—双链 siRNA”,连接子长度、分支度与偶联位点均经系统优化。
GalNAc 偶联的化学设计要点值得单独展开。ASGPR 在肝细胞表面高表达并可在内体酸性环境中循环利用,其配体识别具有“多价效应”:单个 GalNAc 与受体的结合力较弱,但将多个 GalNAc 以适当间距排列在分支连接子上,可显著增强亲和力与内吞效率。因此临床 GalNAc-siRNA 普遍采用“三触角”(triantennary)结构,即三个 GalNAc 通过分支连接子汇聚于一个锚点,再经连接子偶联至正义链 3′ 端。连接子的长度、亲疏水性与分支几何直接影响受体识别、内吞速率与内体逃逸效率;过短会形成位阻,过长则降低有效配体密度。偶联位点通常选择正义链 3′ 端,因为该位置对向导链装载与靶标识别干扰最小,且便于固相合成的末端引入。此外,GalNAc 偶联物具有皮下给药后“肝脏快速摄取、血浆快速清除但组织驻留长”的药代特征,其药效持续时间由肝细胞内分子存量与沉默半衰期共同决定,这为低频给药提供了药理学基础。GalNAc 平台的成功,本质上是“受体生物学—连接子化学—序列修饰”三者联合优化的结果。
脂质偶联。胆固醇、生育酚(α-tocopherol)、脂肪酸、C16 等脂质分子与核酸共价连接,可借助脂蛋白(HDL/LDL)转运或疏水相互作用延长循环时间、改善肝脏与肝外组织分布。脂质偶联是早期 siRNA 系统递送的重要策略,也用于自组装纳米颗粒。
● 多肽与细胞穿透肽(CPP)偶联。富含精氨酸的 CPP、靶向肽或内体逃逸肽可促进核酸跨膜摄取与内体释放,用于肌肉、心脏、中枢神经等肝外组织的递送探索。
● 抗体/抗体片段偶联。抗体—寡核苷酸偶联物(AOC)将 ASO/siRNA 与靶向特定受体的抗体连接,借抗体介导的组织/细胞靶向实现肝外递送,是当前肝外递送最活跃的方向之一,已有多项 AOC 药物进入临床。
表 4-2 主要偶联策略与递送特征
偶联分子
受体/机制
主要靶组织
代表平台/药物
主要特点
三触角 GalNAc
ASGPR 受体介导内吞
肝脏
givosiran、inclisiran 等
皮下、低频给药、高肝选择性
胆固醇/脂质
脂蛋白转运、疏水结合
肝脏、肝外
早期 siRNA 递送
延长循环、自组装载体
细胞穿透肽
电荷/膜扰动介导摄取
肌肉、心脏、CNS
研究性 CPP-ASO/siRNA
肝外递送探索
抗体/抗体片段
受体介导内吞
肌肉、心脏、免疫细胞
抗体-寡核苷酸偶联物(AOC)
组织特异性强、平台可扩展
适配体
特异性受体识别
肿瘤、特定细胞
适配体-siRNA
可化学合成、可逆结合
三类核酸化学修饰概览
GalNAc偶联siRNA 的肝靶向递送4.5 复合修饰策略与修饰原则
单一修饰的局限性。没有任何一种修饰能同时满足稳定性、亲和力、免疫原性、药代与安全性的全部要求。2′-OMe 稳定但高密度降低活性;2′-F 亲和力强但长期安全性需考察;LNA 亲和力极高但可能肝毒;PS 延长半衰期却带来蛋白结合毒性;碱基修饰压低免疫原性但贡献有限。单一修饰的“收益曲线”在达到某一密度后进入平台甚至下降,因此临床药物几乎无一例外采用复合修饰。
“核糖+骨架+末端”多元复合修饰体系。成熟药物的修饰格局通常遵循“分区设计”原则:以核糖修饰(2′-OMe/2′-F/2′-MOE/LNA)负责酶抗性与亲和力;以 PS 骨架修饰负责血浆稳定性、蛋白结合与组织分布;以末端封端负责抗外切酶;以 GalNAc/脂质偶联负责组织靶向。以 patisiran 为例,其双链 siRNA 采用 2′-OMe 与 2′-F 交替修饰并结合 LNP 递送;以givosiran/inclisiran 为例,采用 2′-OMe/2′-F 核糖修饰+有限 PS+三触角 GalNAc 偶联,实现皮下给药与数月药效。ASO 则普遍采用“PS 骨架+MOE/LNA/cEt 翼区+DNA 间隙区”的 gapmer 或“全长 MOE-PS”的 splice-switching 模式。
修饰平衡原则。复合修饰必须遵循“稳定性—靶向性—药效—安全性”的平衡原则:修饰密度过低则易降解、免疫原性高;修饰密度过高或位点不当则导致结合亲和力失衡、RISC/RNase H 装载受阻、药效下降,并可能引起组织蓄积与慢性毒性。实际操作中需以“功能分区”指导修饰位点选择——识别区保证亲和力与特异性,切割中心区保留酶学兼容性,末端区强化抗外切酶,偶联区选择对活性干扰最小的锚点。同时需评估修饰带来的工艺复杂度与成本:全 2′-F、立体纯 PS、复杂 GalNAc 连接子的合成都显著增加成本,需在药效收益与可制造性之间权衡。过度修饰导致药效下降与毒性升高的教训(如某些高密度 LNA/PS 分子的肝毒性)提示,修饰优化是“少而精”而非“多而全”的工程。
在工艺与质量控制层面,复合修饰的复杂度必须与可制造性同步管理。高密度、多类型修饰使寡核苷酸的杂质谱更加复杂:除经典的 n−1 缺失序列外,还可能产生硫代不完全、修饰单体偶联失败、去嘌呤、异构体等杂质,这些杂质不仅影响纯度与收率,还可能带来免疫原性或毒性。因此,复合修饰方案在候选阶段就应接受“可合成性”审查,优先选择单体供应稳定、偶联效率高、杂质可控的修饰组合。分析表征方面,需以 LC-MS、离子对反相色谱、阴离子交换色谱与核磁等手段确认分子量、序列正确性、修饰位点完整性、PS 立体组成与末端/偶联结构。只有在“化学设计”与“工艺可行”之间取得平衡,复合修饰才能从实验室优化顺利走向工业化生产。
表 4-3 代表药物的复合修饰格局
药物
类型
核糖修饰
骨架修饰
末端/偶联
设计要点
Patisiran
LNP-siRNA
2′-OMe+2′-F 交替
有限 PS
3′ 悬垂 dT
LNP 递送、双修饰抗酶解
Givosiran
GalNAc-siRNA
2′-OMe+2′-F
有限 PS
三触角 GalNAc
皮下、肝靶向、低频给药
Inclisiran
GalNAc-siRNA
2′-OMe+2′-F
有限 PS
三触角 GalNAc
半年两次给药降 PCSK9
Nusinersen
splice-switching ASO
全长 2′-MOE
全长 PS
无偶联
鞘内、空间位阻剪接校正
Inotersen
gapmer ASO
MOE 翼+DNA 间隙
PS
无偶联
RNase H1 介导 TTR 敲低
Eteplirsen
PMO
吗啉环
磷酰二胺
无偶联
电中性、外显子 51 跳跃五、序列优化与化学修饰协同应用体系
序列优化与化学修饰并非两个可以先后独立完成的线性步骤,而是彼此纠缠、需要协同迭代的系统工程。本章阐述二者的互补逻辑、标准化流程以及不同类型药物的差异化方案,并以已上市药物的实际设计历程说明“协同”如何落地。5.1 协同优化逻辑
序列优化筑牢特异性基础。序列决定分子“识别谁”,是靶向特异性的第一性来源。无论化学修饰多么完善,只要碱基序列本身与旁系同源基因高度相似、或种子区存在高风险脱靶位点,修饰后的分子仍可能误伤非靶转录本。换言之,化学修饰可以“放大或抑制”序列带来的性质,却无法“纠正”一个错误的序列选择。因此,特异性必须在序列层面优先解决。
化学修饰强化稳定性与递送能力。序列决定“能否识别”,修饰决定“能否到达并存活”。未修饰的优化序列在血浆中数分钟即被降解、难以入胞,即使特异性再高也无法成药。核糖/骨架/末端修饰延长半衰期,偶联修饰解决组织递送,免疫掩蔽降低不良反应,三者共同把“好序列”转化为“好药物”。
二者互补、不可偏废。一个形象的类比是:序列优化是“内容编码”,化学修饰是“封装与递送”。未优化序列的修饰药物仍存在脱靶风险;未修饰的优化序列稳定性不足、难以成药。只有二者协同,才能在“特异性—稳定性—递送—免疫原性—药效—安全性”六维空间中收敛到临床候选。临床失败案例也从反面印证这一点:早期 siRNA 因递送与稳定性不足而折戟,某些 ASO 因序列脱靶或免疫原性偏高而出现剂量限制性毒性,均说明单点优化无法跨越成药门槛。5.2 标准化优化流程
将序列优化与化学修饰整合为统一流程,可形成可复制、可追溯的研发管线。其标准路径如下:
第一步:靶点确定。结合疾病生物学、遗传学证据与成药性评估,确定靶基因与目标调控方向(敲低、剪接校正、外显子跳跃、编辑等),明确药效与安全性的目标值(如最低沉默效率、最大脱靶数、给药频次)。
第二步:序列设计与生物信息学筛选。按第三章方法完成靶位点保守性、可及性、特异性初筛,生成数百至数千条候选序列,经结构预测、同源比对、脱靶预测与免疫基序筛查排序,取前若干条进入实验。
第三步:序列特异性优化。对短名单做碱基精修、GC 调控、二级结构优化与链偏向优化,形成 20–50 条“优化母核序列”。
第四步:体外活性初筛。以报告系统与靶细胞测定沉默效率、切割位点、脱靶率与免疫激活,筛选活性与特异性兼优的 3–10 条候选。
第五步:适配性化学修饰(差异化修饰方案)。依据药物类型与递送途径,为候选序列设计差异化的核糖/骨架/末端/偶联修饰方案,生成 2–4 套修饰变体。这一步强调“按序列定制修饰”,而非套用统一模板:GC 偏高者可少用亲和力增强型修饰,富含 CpG 者加强 5-mC 掩蔽,链末端稳定性差者强化封端。
第六步:复合修饰优化。在初代修饰变体的活性/稳定性/免疫数据基础上,调整修饰密度、位点与组合,寻找药效与安全性的最优平衡点。
第七步:药效与安全性验证。开展体外稳定性、体内药代、靶器官药效、脱靶与毒理的系统评价(详见第六章)。
第八步:最优成药序列筛选。综合药效、安全、可制造性与成本,锁定进入 IND 使能研究的候选分子。
序列优化与化学修饰标准化协同流程
表 5-1 标准化流程各阶段的关键产出与决策门槛
阶段
关键产出
决策/淘汰门槛
主要工具/方法
靶点确定
靶基因、调控方向、目标值
遗传学/疾病证据充分
文献、遗传学数据库
序列设计
数百—数千条候选
保守性/可及性达标
RefSeq、RNAfold、BLAST
特异性优化
20–50 条母核序列
无高风险脱靶/免疫基序
siDirect、脱靶预测
体外初筛
3–10 条高活性候选
沉默率≥阈值、脱靶低
RT-qPCR、报告系统
适配修饰
2–4 套修饰变体
稳定性/活性双达标
合成与活性测定
复合优化
最优修饰组合
药效/安全平衡
迭代修饰筛选
系统验证
药效、药代、毒理数据
达到候选标准
体内外评价体系
成药筛选
IND 候选分子
可放大、成本可控
CMC、制剂适配评估5.3 不同类型小核酸药物的差异化优化方案
不同药物类型的作用机制、结构特征与给药场景不同,其“序列优化+化学修饰”组合策略也应有针对性。
siRNA 的差异化方案。 siRNA 双链由向导链与乘客链构成,优化重点在于链偏向与热力学不对称性:确保反义链 5′ 端弱配对以正确装载 AGO2;正义链 5′ 端阻断磷酸化以抑制脱靶;种子区避开高同源 3′ UTR。修饰上采用 2′-OMe/2′-F 交替铺满双链、末端 dT 悬垂或封端、有限 PS,并根据递送选择 LNP(如 patisiran)或 GalNAc 偶联(如 givosiran、inclisiran)。临床成熟案例方面,inclisiran 针对 PCSK9 mRNA 选取保守且可及的编码区位点,以 2′-OMe/2′-F 交替+GalNAc 偶联实现半年两次给药、LDL-C 长期显著下降,是“序列特异性+GalNAc 递送+长效修饰”协同的典范;patisiran 则针对 hATTR 的 TTR 突变与野生型转录本设计广谱敲低序列,结合 LNP 递送与双核糖修饰,成为首个获批 siRNA。
ASO 的差异化方案。 ASO 单链设计需在“RNase H1 敲低”与“空间位阻调控”两种机制间选择。gapmer ASO 的序列优化重点是间隙区长度(通常 8–10 nt DNA)与翼区修饰密度,保证 RNase H1 切割的严格性与速率;修饰格局为 PS 骨架+MOE/LNA/cEt 翼区。splice-switching ASO 则完全避开 RNase H 招募,采用全长 MOE-PS 或 PMO,序列设计需精确锚定剪接增强子/沉默子元件。临床案例中,nusinersen 通过靶向 SMN2 内含子 7 的 ISS-N1 元件实现外显子 7 纳入,其序列经高密度筛选并结合全长 MOE-PS,证明了“空间位阻剪接校正”路径的可行性;inotersen/eplontersen则采用 gapmer 设计敲低 TTR,通过 PS+MOE 平衡肝组织分布与血小板安全性。
miRNA 的差异化方案。 miRNA 药物的难点在于靶点网络化与特异性控制。mimic 的设计需保持种子序列与内源 miRNA 一致以复现其调控网络,同时以化学修饰稳定双链、降低免疫原性;antimiR 则需高亲和力捕获内源 miRNA,常用 LNA/cEt 增强结合并抵抗降解。由于 miRNA 作用广谱,其脱靶评价不能仅看单一靶基因,而需在转录组与表型层面评估网络效应。此类药物(如早期 miR-122 抑制剂、miR-21 抑制剂等研究性管线)的经验提示:miRNA 药物更应强调“低剂量、分靶点、可逆调控”的优化哲学,避免过度沉默内源调控网络。
差异化方案的选择最终可归纳为一条决策链:先根据“靶点所在组织与给药可达性”确定递送平台(肝脏优先 GalNAc/LNP,中枢优先鞘内,眼科优先玻璃体,肝外探索偶联载体);再根据“需要降解还是空间位阻/编辑”确定作用机制(mRNA 敲低可选 siRNA 或 gapmer ASO,剪接校正选 splice-switching ASO,永久编辑选 sgRNA/Cas);最后根据“靶基因保守性、同源性与免疫基序”确定序列与修饰强度(高同源靶点强化中央区差异与链偏向,高免疫风险强化碱基修饰与基序剔除)。这条决策链将序列、修饰、递送三者纳入统一逻辑,是构建“多适应症差异化优化方案库”的骨架。
表 5-2 不同类型药物的差异化优化要点
药物类型
序列优化重点
化学修饰重点
递送倾向
代表案例
siRNA
链偏向、种子区、热力学不对称
2′-OMe/2′-F、末端封端、有限 PS
LNP 或 GalNAc
patisiran、inclisiran
ASO(gapmer)
间隙区长度、翼区密度
PS+MOE/LNA/cEt 翼
裸链或偶联
inotersen、eplontersen
ASO(剪接)
剪接元件锚定、避开 RNase H
全长 MOE-PS 或 PMO
鞘内/静脉
nusinersen、eteplirsen
miRNA mimic
种子序列保真、网络评估
双链稳定、免疫掩蔽
LNP/偶联
研究性 mimic
antimiR
高亲和捕获、特异性控制
LNA/cEt 增强结合
裸链或偶联
研究性 antimiR
sgRNA
spacer 选择、PAM、GC、结构
末端修饰、稳定性增强
LNP/AAV/RNP
临床基因编辑5.4 关键临床案例深度解析
临床成熟药物的设计历程,是“序列优化+化学修饰+递送协同”最直观的教学案例。以下剖析五类代表性药物的技术决策,以揭示其背后的序列—修饰协同逻辑。
Patisiran:首个获批 siRNA 与 ESC 化学设计。 Patisiran 靶向 TTR mRNA 的 3′ UTR 保守区,其反义链序列对野生型与多数致病突变型 TTR 均互补,从而实现“广谱敲低”;这是序列选择服务于“覆盖变异人群”的典型。化学上,patisiran 采用 2′-OMe 与 2′-F 交替修饰并配合有限 PS 与 3′ dT 悬垂,显著增强核酸酶抗性与双链稳定性。递送上选择可电离脂质纳米颗粒(LNP)静脉输注,实现肝细胞高效摄取。2018 年 APOLLO 试验证实其在 hATTR 多发性神经病中的疗效,成为 RNAi 疗法里程碑。需要说明的是,patisiran 的 ESC(enhanced stabilization chemistry)设计与后续 GalNAc 平台一脉相承——Nair 与 Manoharan 团队围绕“增强代谢稳定性”系统比较了不同核糖修饰组合,证明 2′-OMe/2′-F 交替与特定 PS 位点可在保持活性的同时大幅延长体内驻留,这一化学结论后来被 GalNAc-siRNA 广泛继承。
Inclisiran:序列特异性+GalNAc 长效的慢病范式。 Inclisiran 靶向 PCSK9 mRNA,其设计核心是把“半年两次皮下给药”变为现实。序列层面,选择 PCSK9 编码区保守且可及性高的位点,兼顾跨物种与人群保守性;化学层面,采用 2′-OMe/2′-F 交替、有限 PS 与三触角 GalNAc 偶联,利用 ASGPR 受体介导肝细胞高效摄取并在胞内形成长效沉默。ORION 系列试验显示,每年两次给药即可维持 LDL-C 的持续显著下降,依从性与疗效持久性优于需每日口服或每两周注射的既有疗法。inclisiran 的意义在于证明:当序列特异性、修饰稳定性与递送靶向三者协同到位时,小核酸药物可以突破罕见病边界,进入心血管慢病的大市场。
Givosiran:靶向限速酶 ALAS1 的机制性设计。急性肝卟啉症(AHP)由血红素合成途径中 ALAS1 反馈失调引起,givosiran 以 GalNAc-siRNA 敲低肝细胞 ALAS1 mRNA,降低神经毒性中间产物 ALA/PBG 的蓄积。其序列设计需精准靶向 ALAS1 而避免影响血红素合成必需的其他酶;化学上采用成熟的 2′-OMe/2′-F+GalNAc 平台,并以低频给药管理这一慢性发作性疾病。ENVISION 试验证实其显著降低年化发作率。givosiran 的案例说明,序列优化不仅要“敲低靶点”,还要在代谢网络中保持“机制精准性”,避免过度抑制导致的反调节毒性。
Nusinersen:空间位阻剪接校正的典范。 Nusinersen 是全长 2′-MOE-PS 修饰的 splice-switching ASO,靶向 SMN2 内含子 7 的 ISS-N1 剪接沉默元件,通过空间位阻阻断负调控剪接因子结合,使 SMN2 外显子 7 纳入成熟 mRNA,恢复功能性 SMN 蛋白。其序列优化围绕“精确锚定剪接调控元件、避免 RNase H 招募、保持足够结合亲和力”展开;化学修饰采用 MOE 增强稳定性与亲和力、PS 延长循环并促进组织分布,经鞘内注射直达脊髓运动神经元。nusinersen 的成功证明了“不降解 mRNA、只调控剪接”这一机制的成药性,也确立了 ASO 在中枢神经系统疾病中的地位。
Inotersen 与 Eplontersen:ASO 敲低的安全窗演进。 Inotersen 是 PS-MOE gapmer,靶向 TTR mRNA 通过 RNase H1 敲低 TTR,治疗 hATTR 多发性神经病;其疗效显著,但 PS 骨架的非特异蛋白结合带来了血小板减少、肾小球损伤等剂量相关毒性,需频繁监测。Eplontersen 作为新一代配体偶联 ASO,在 gapmer 基础上偶联 GalNAc 以增强肝靶向、降低系统暴露,从而在保持疗效的同时改善安全窗与给药便利性。这一“同靶点、两代 ASO”的演进清晰展示了化学修饰与偶联策略如何反向优化安全性——这正是第五章所强调“修饰反向影响安全与特异”的实证。
案例共性与启示。五个案例共同指向三条协同规律:其一,靶点与位点选择决定“机制正确性”,是药物成立的先决条件;其二,核糖/骨架/末端修饰决定“稳定性与药代”,是疗效持久与安全的保障;其三,GalNAc/LNP 等递送决定“组织富集与给药便利”,是临床可及性的关键。三者在优秀药物中高度耦合,任何一环失衡都会导致剂量限制性毒性、疗效不足或给药方案不可行。六、优化效果评价体系(药效与安全性评估)
任何序列优化与化学修饰的收益,最终都要落到可量化、可重复的评价指标上。评价体系需覆盖体外、体内与成药性三个层次,形成“分子性质—细胞药效—整体药代/毒理—产业化”的完整证据链。6.1 体外评价指标
体外评价用于快速、高通量地筛选候选分子并解析机制,主要指标包括六项。
核酸酶稳定性。将候选分子与血清、肝匀浆、胞质提取物或重组核酸外切酶/内切酶孵育,以聚丙烯酰胺凝胶电泳、液相色谱—质谱(LC-MS)或荧光标记追踪残存全长分子比例,测定半衰期与主要降解产物。稳定性是体内药效的先决条件,通常要求修饰后分子在血清中的半衰期从“分钟级”提升至“小时—天级”。
靶基因沉默效率。以 RT-qPCR、数字 PCR、RNA-Seq 或 Western blot 测定靶 mRNA 与蛋白水平的剂量依赖性降低,拟合 IC50/ED50 与最大沉默率(Emax)。沉默效率需与切割机制验证结合:用 5′ RACE 或测序确认 AGO2 切割位点正确、RNase H1 切割位点符合预期,排除“表达抑制假阳性”。
细胞摄取率。以荧光标记核酸结合流式细胞术、共聚焦显微镜或单分子成像定量进入细胞的分子数与胞内定位(胞质、内体、溶酶体),并评估内体逃逸效率。摄取率直接决定有效药物暴露,是递送与偶联优化的重要反馈指标。
脱靶率。通过全转录组测序比较处理前后基因表达谱,统计非靶基因的显著改变;结合 Ago2-HITS-CLIP、靶点捕获测序或报告基因库量化种子区脱靶与乘客链脱靶。脱靶率应报告为“每候选分子的非靶扰动基因数/强度”,并区分功能相关的近同源靶点与随机脱靶。
细胞毒性与免疫炎症水平。以 MTT/CCK-8/ATP 等测定细胞活力与半数毒性浓度;以 ELISA、RT-qPCR 或报告细胞系测定 IFN-α/β、TNF-α、IL-6、IP-10 等细胞因子与干扰素刺激基因(ISG)的诱导水平,评估 TLR/RIG-I 通路激活。免疫评价需覆盖多种细胞类型(如 PBMC、肝细胞、巨噬细胞),因为免疫原性具有细胞类型依赖性。
体外评价的可靠性与可比性依赖于方法学质量控制。首先,稳定性试验应设置未修饰对照与已知稳定/不稳定参比分子,统一酶浓度、孵育时间与基质批次,避免血清个体差异带来的假象;降解产物需经质谱确证,区分“末端逐个切除”与“内部切割”两种路径,因为二者对后续修饰设计的指向不同。其次,沉默效率测定应覆盖至少 6–8 个浓度点以拟合完整的量效曲线,并同时报告 IC50 与最大沉默率;若仅看单点浓度,可能把“低效但低毒”与“高效但高毒”的分子混为一谈。第三,摄取与内体逃逸实验应采用正交方法互证,例如将流式定量、共聚焦定位与功能性沉默结果联合解读,避免把“仅内吞未释放”的荧光信号误判为有效摄取。第四,脱靶分析需设定严格的统计阈值与多重检验校正,并对低丰度转录本做足够测序深度,防止因统计功效不足而低估脱靶。第五,免疫与毒性评价应覆盖多种原代细胞与供体,因为免疫原性存在显著的细胞类型与个体差异。只有在方法学层面统一并验证后,体外数据才能作为跨候选分子排序与体外—体内外推的可靠依据。
表 6-1 体外评价指标与方法概览
指标
常用方法
关键读出
优化指向
核酸酶稳定性
血清/酶孵育+PAGE/LC-MS
半衰期、降解产物
核糖/骨架/末端修饰
沉默效率
RT-qPCR、Western、5′ RACE
IC50、Emax、切割位点
序列、亲和力修饰
细胞摄取
流式、共聚焦、单分子成像
摄取量、内体逃逸
偶联、递送载体
脱靶率
RNA-Seq、Ago-CLIP、报告库
非靶扰动数/强度
链偏向、种子区优化
细胞毒性
MTT/CCK-8、ATP
IC50、细胞活力
修饰密度、骨架选择
免疫炎症
细胞因子、ISG 检测
IFN、IL-6、IP-10 水平
碱基修饰、免疫基序剔除6.2 体内评价指标
体内评价反映药物在完整生物体中的真实行为,是进入临床前的关键门槛。
体内半衰期与药代动力学。以放射性标记、LC-MS/MS 或杂交 ELISA 测定血浆浓度—时间曲线,计算消除半衰期、清除率、分布容积与生物利用度。GalNAc-siRNA 因肝摄取迅速,血浆半衰期相对短但组织驻留长,需以“组织浓度/靶标沉默持续时间”而非单纯血浆半衰期评价药效持续性。
组织分布特异性。以定量全身放射自显影(QWBA)、LC-MS 或荧光成像测定药物在肝、肾、脾、心、肌肉、脑等器官的分布,计算靶器官/非靶器官浓度比。肝靶向药物应呈现高肝/低全身分布特征;肝外递送则需证明目标组织富集。
靶器官药效。在疾病模型或正常动物中测定靶器官的靶 mRNA/蛋白下调幅度、持续时间与量效关系,并与生物标志物或病理表型关联。例如 GalNAc-siRNA 的肝 TTR、PCSK9、ALAS1 沉默幅度与血清蛋白/代谢物水平直接相关。
体内免疫原性与长期毒副作用。监测给药后细胞因子、补体、抗药物抗体(ADA)、注射部位反应、血小板计数、肝肾功能、凝血指标等,并在重复给药毒理试验中考察慢性毒性、蓄积与器官病理。PS-ASO 需重点评估血小板减少、补体活化与肾小管蓄积;LNA 高亲和分子需关注肝毒性;GalNAc 偶联物需评估连接子与糖代谢安全性。
代谢清除特性。通过代谢物鉴定与排泄平衡试验,明确核酸链的降解产物、代谢途径(核酸酶水解 vs. 连接子酶切)与排泄途径(肾/胆汁/粪便)。代谢清除特性不仅关系到安全性,也关系到半衰期设计:链末端代谢稳定、连接子可被酶切释放活性分子的设计可延长药效并减少蓄积。
体内核酸定量的方法学选择直接影响药代结论的可靠性。常用的生物分析方法包括三类:一是基于杂交的定量(如杂交 ELISA、基于锁核酸探针的杂交分析),其灵敏度高、可区分全长与截短产物,但需设计特异性捕获/检测探针,易受代谢物干扰;二是液相色谱—串联质谱(LC-MS/MS),可同时定量全长寡核苷酸及其 5′/3′ 端降解产物,具备高特异性,但长链、高电荷核酸的色谱行为与电离效率是方法开发难点;三是放射性标记或荧光标记追踪,适合组织分布与排泄平衡研究,但标记可能改变分子理化性质。对 GalNAc-siRNA 这类“血浆半衰期短、组织驻留长”的药物,应同时报告血浆药代与肝组织浓度/靶标沉默时间过程,避免仅凭血浆数据低估药效持续性。此外,抗药物抗体(ADA)可能影响清除与药效,需在重复给药试验中监测其出现率、滴度与中和活性。方法学层面,体内评价应遵循“血浆 PK—组织分布—靶器官 PD—免疫原性—毒性病理”五位一体的设计,确保各指标之间可互相印证。6.3 成药性综合评估
临床候选分子不仅要“有效且安全”,还必须“可制造、可放大、可负担”。成药性综合评估将药效/安全数据与工艺经济性结合,最终筛选可产业化的最优序列与修饰方案。
工艺可放大性。评估寡核苷酸合成的批产规模、纯化难度与收率:长链、高密度 PS、立体纯 PS、复杂 GalNAc 连接子与多偶联位点都会增加合成步骤、降低粗品纯度和总收率。固相合成工艺的可扩展性、杂质谱控制(如 n−1 缺失序列、硫代不完全产物)与批间一致性是 CMC 的核心关注。
修饰成本。修饰单体(亚磷酰胺)的成本差异巨大:2′-OMe 成本较低,2′-F、LNA、cEt、立体纯 PS 与 GalNAc 连接子成本显著更高。成本模型需结合给药剂量与频次:若长效修饰可将年给药次数从数十次降至 2–6 次,则单克成本上升仍可能被总治疗成本下降所抵消(如 inclisiran 的半年两次给药)。
制剂适配性。修饰与序列需与制剂平台兼容:LNP 需考虑核酸的疏水性/电荷对包封率与粒径的影响;GalNAc 偶联需保证皮下给药的高浓度稳定性与储存稳定性;鞘内给药需满足无菌、低内毒素与渗透压要求。制剂适配性差的分子即使药效优异也难以产业化。
综合权衡与决策。成药性评估最终形成“药效—安全—可制造—成本”四象限决策矩阵:优先选择药效达标、安全窗宽、可放大且单位疗效成本低的方案;对药效优异但工艺极难或成本过高的分子,可评估工艺替代路线(如替换修饰、调整偶联位点)后再决策。这一环节将“实验室最优”转化为“产业最优”,是候选分子进入开发阶段前的最后一道筛选。
小核酸药物药效与安全性评价体系七、现存问题与技术挑战
尽管序列优化与化学修饰已支撑多款小核酸药物上市,二者在协同应用过程中仍存在诸多未决难题。清醒认识这些短板,是推动技术迭代的前提。7.1 序列优化短板
复杂基因靶点特异性筛选难度大。对于高度重复的基因家族、存在大量旁系同源物与假基因的靶点(如嗅觉受体、锌指蛋白、免疫球蛋白可变区、部分激酶家族),几乎无法找到完全唯一的靶序列;此时任何候选序列都可能在“特异性”与“覆盖度”之间做出牺牲。对于靶向长链非编码 RNA、环状 RNA 或融合转录本的药物,注释信息不完整、转录本异构体复杂,进一步放大了特异性筛选的难度。
部分高保守靶点难以规避脱靶。保守性越高的靶点,意味着其在进化上越重要,也意味着不同基因间共享序列越多。对于这类靶点,“选择保守位点保证跨物种与覆盖变异”与“选择唯一位点避免脱靶”构成内在矛盾。虽然可通过中央区单碱基差异区分近同源物,但可用的差异位点往往有限,导致设计自由度被严重压缩。
序列优化与溶解度、递送效率的矛盾。高 GC、强二级结构或特定碱基组成可提升亲和力与特异性,却可能降低水溶性、增加自聚集倾向或与递送载体发生不利相互作用;相反,为提高溶解性与递送而降低 GC、引入 UNA 或错配,又可能牺牲结合力与药效。序列层面的“热力学最优”并不等于“递送最优”,二者需要以实验数据为中介反复折中,目前尚缺乏能够同时预测药效、溶解度与载体兼容性的统一模型。
除上述三点外,序列优化还受制于注释质量与转录组复杂性的客观限制。当前人类转录组注释仍不完整,大量组织特异性、低丰度或非编码转录本尚未被充分标注,导致同源性比对与脱靶评估的“背景集合”本身存在盲区;对环状 RNA、融合转录本或反义转录本为靶点的设计,其特异性判断更加困难。此外,靶基因的可选择性剪接会生成多种异构体,若药物只覆盖部分异构体而漏掉致病异构体,药效将被稀释;反之若试图覆盖全部异构体,又可能牺牲唯一性。这些“生物学未知”而非“算法不足”的问题,提示序列优化必须与靶点验证实验、单细胞/空间转录组学证据紧密结合,而不能单纯依赖参考基因组层面的计算。7.2 化学修饰局限性
部分修饰技术成本高、合成工艺复杂。 2′-F、LNA、cEt、立体纯 PS 及多分支 GalNAc 连接子的单体合成与固相偶联步骤繁复、纯度控制难度大,导致单位成本高企。随着给药剂量提升与适应症向常见病扩展,成本约束将愈发突出,低价高效修饰单体的规模化生产仍是产业瓶颈。
过度修饰导致活性降低与蓄积毒性。修饰并非“越多越好”。高密度 2′-OMe/LNA 可能破坏 RISC 装载或 RNase H 识别;过度 PS 会增加非特异蛋白结合,带来补体、血小板与凝血风险;高亲和修饰延长组织驻留的同时也可能造成肝肾蓄积与慢性毒性。如何在“足够稳定”与“不过度修饰”之间找到窄窗口,是每个候选分子都要回答的问题。
新型修饰的长期安全性未知。 2′-F、立体纯 PS、新型桥接糖、可降解连接子等较新修饰的临床应用年限尚短,其长期代谢物、遗传毒性、生殖毒性与免疫记忆效应缺乏数十年尺度数据。监管机构对新型化学实体的毒理要求趋严,长期安全性证据的缺失会延长开发周期并增加退市风险。
从成本结构看,修饰的“经济毒性”往往被低估。一个复杂修饰单体的合成可能涉及十余步化学转化与多次柱层析纯化,其成本可以是普通 2′-OMe 单体的数倍至数十倍;当一条寡核苷酸链同时使用多种高价修饰单体时,总成本呈非线性上升。对需长期、大剂量、广人群使用的慢性病药物而言,单位疗效成本直接决定其商业可行性,因此成本控制必须与药效优化同步进行,而非在候选分子定型后再“补课”。在监管层面,新型修饰的毒理要求通常更严:需要额外的遗传毒性、生殖发育毒性、组织蓄积与代谢物安全性数据,这些研究周期长、费用高,构成新修饰从实验室走向临床的隐性门槛。7.3 协同优化难点
序列结构改变影响修饰效果。修饰的收益并非“与序列无关”。同一套 2′-OMe/2′-F 图案铺在不同序列上,其双链 Tm 增量、酶抗性与 RISC 装载效率可能显著不同;PS 的蛋白结合也受邻近碱基疏水性影响;GalNAc 偶联位点周围的序列环境会影响连接子柔性、受体识别与内体逃逸。因此修饰方案必须“随序列而变”,这大幅增加了优化空间维度。
修饰改造反向影响序列靶向特异性。 LNA/2′-F 等高亲和修饰可增强错配位点的残余结合,使原本“可容忍”的近同源错配重新具有脱靶风险;PS 与蛋白的结合可能改变分子构象,进而改变靶标可及性;末端修饰可能影响链装载偏向。也就是说,修饰不仅“放大药效”,也可能“放大脱靶”,需要在修饰后重新评估特异性。
协同适配规律尚未完全明确。目前缺乏能够从序列与修饰组合直接预测“药效—脱靶—毒性—药代”的通用定量模型。绝大多数优化仍依赖经验规则与实验迭代,成本高、周期长。建立“序列—修饰—结构—药效—安全性”的一体化可解释模型,是本领域最核心的基础科学问题之一。
从工程方法论角度看,协同优化的核心困难在于“组合爆炸”:假设候选序列有数百条、核糖修饰有五种以上、骨架密度有数档、末端与偶联有数种,其完整组合空间可轻易达到数百万级,远超逐一体外测试的能力。当前缓解手段包括分阶段筛选(先定序列、再定修饰)、基于部分因子设计的实验设计(DOE)、以及机器学习驱动的贝叶斯优化,但这些方法仍以“降低搜索成本”为主,尚不能从根本上解决“序列与修饰存在强交互效应”的建模难题。另一个瓶颈是数据标准化:不同实验室的沉默效率、脱靶与毒性数据在细胞系、转染方法、浓度与读数上的差异,使得跨研究整合与模型训练困难。建立开放、标准化、可复现的“序列—修饰—表型”基准数据集,是推动协同优化规律从经验走向定量科学的基础性工作。八、前沿研究与未来发展趋势
面向上述挑战,学术界与产业界正从智能设计、新型修饰、一体化平台与产业化四个方向推进突破。8.1 智能序列优化技术
AI 辅助高通量序列设计与脱靶预测。深度学习已深度介入序列优化的各个环节。以大规模实验数据(沉默效率、切割活性、脱靶谱、免疫原性)训练的神经网络模型,可在不合成分子的情况下对海量候选序列进行活性与特异性排序,将“设计—合成—测试”循环压缩为“计算优先—定向实验验证”。代表性进展包括:基于卷积/图神经网络与 Transformer 的 siRNA 沉默效率预测、ASO 活性与毒性预测、以及 CRISPR sgRNA 活性/脱靶预测模型(如 DeepCRISPR、CRISPRon/off、DeepHF 等)。生成式模型还可“反设计”满足多目标约束的新序列,探索人类经验之外的设计空间。
表 8-1 智能序列优化中的代表性机器学习任务与输入输出
任务
典型输入特征
预测输出
代表模型/思路
对优化的贡献
siRNA 活性预测
序列、热力学、位置特征
沉默效率/IC50
回归网络、梯度提升树
免合成排序候选
siRNA 脱靶预测
种子区、同源位点、转录组
脱靶风险评分
序列卷积网络
压低非靶沉默
ASO 活性预测
位点可及性、修饰格局
敲低/剪接活性
图神经网络、Transformer
缩短 ASO 设计周期
ASO 毒性预测
序列、PS 密度、组织分布
肝/肾/血小板风险
多任务学习
提前规避毒性
sgRNA 活性/脱靶
spacer、PAM、表观特征
编辑效率、脱靶位点
DeepCRISPR、DeepSpCas9 等
提高编辑特异性
结构预测
序列、修饰
二级/三级结构、Tm
RNA 结构预测模型
指导修饰位点
生成式设计
多目标约束
新候选序列
生成对抗/扩散模型
拓展设计空间
这些模型的价值不仅在于“单点预测”,更在于与高通量实验形成闭环。例如,将大规模并行测定得到的数十万条“序列—沉默效率—脱靶谱”数据用于训练,再用模型对合成前的虚拟库排序,可把候选合成数量压缩一个数量级。随着可解释性方法的发展,模型还能输出“哪些碱基或修饰对预测贡献最大”的归因,为设计规则提供机理解释,推动优化从“黑箱预测”走向“可解释工程”。
高通量测序筛选天然优势序列。大规模并行寡核苷酸合成与条形码测序技术(MPRA、Oligo-seq、饱和突变筛选)使研究者能够一次性测试数万至数百万条序列变体在细胞内的沉默活性、切割位点选择、脱靶与免疫原性,生成高质量“序列—表型”配对数据。这些数据不仅直接产出优势序列,更为 AI 模型提供了训练燃料,形成“高通量实验—数据—模型—再设计”的正反馈循环。此类技术已用于优化 siRNA 种子区规则、ASO 可及性位点与 sgRNA 活性评分。8.2 新型化学修饰技术
新型低毒、高稳定修饰基团研发。在 2′-OMe、2′-F、MOE、LNA/cEt 之外,研究者持续开发新的核糖、骨架与碱基修饰,目标是在“亲和力—酶抗性—安全窗”之间获得更优平衡。热点方向包括:可调亲和的桥接核酸、氟代与氨基核糖变体、双功能化碱基、以及兼顾 RNase H 兼容性与稳定性的骨架连接子。修饰单体的规模化合成与纯度控制是与化学创新并行的工程课题。
精准定点修饰与位点特异性修饰。传统修饰采用“模式化铺设”,同类修饰均质分布于链上;而精准修饰强调“按功能分区、按位点定制”,只在必要位置引入必要修饰,减少无效修饰对活性与毒性的损害。立体纯 PS(P-stereopure)即是在骨架层面实现位点立体化学控制的典型,通过选择 Sp/Rp 构象优化 RNase H 活性与蛋白结合毒性;单一位点偶联(如精确控制 GalNAc 分支度与连接子长度)亦属此类。
可降解修饰技术降低蓄积毒性。为缓解高稳定修饰带来的组织蓄积问题,研究者开发“可编程降解”策略:在核酸链中引入对特定酶(如酯酶、还原酶、特定核酸酶)敏感的可裂解连接子,使分子在发挥药效后按预定路径降解为可清除的小片段;或在末端设计“前药型”掩蔽基团,进入靶组织后经酶切释放活性分子。这类技术有望在“长效药效”与“低蓄积毒性”之间取得新的平衡。
在新型修饰的研发方法上,“化学—结构—功能”的联合表征已成为标配。新型核糖修饰在合成后,通常先以圆二色谱、核磁共振与 X 射线晶体学测定其对双链构象(A 型/B 型、糖折叠)与热力学稳定性(Tm、ΔG)的影响,再以重组核酸酶与血清稳定性实验测定酶抗性,继而通过 RISC 装载、RNase H1 切割与全转录组脱靶实验评估功能兼容性,最后以体内药代与毒理试验确证成药性。这种“从原子结构到整体动物”的递进评价,使新型修饰的引入不再依赖试错,而是基于结构机制的可预测设计。随着自动化合成、高通量修饰筛选与机器学习构效关系模型的结合,新型修饰从“发现”到“成药候选”的周期有望显著缩短。8.3 一体化协同优化体系
建立“序列—修饰—结构—药效—安全性”一体化模拟与验证平台。未来研发将从“序列与修饰分别优化、再拼装验证”走向“多目标联合优化”。一体化平台需要:多尺度模拟(分子动力学预测修饰对双链构象、蛋白结合与受体识别的影响)、多任务机器学习(同时预测沉默效率、脱靶、免疫原性、药代与毒性)、以及高通量实验闭环(快速验证预测并回灌数据)。其产出不是单一“最优序列”,而是面向不同递送、不同适应症、不同给药频次的“最优设计谱系”。
精准化、定制化药物优化。随着罕见病个体化治疗(如 milasen 等 N-of-1 定制 ASO)与基因型分层治疗兴起,小核酸药物设计将走向“按患者突变定制”。一体化平台可将特定突变位点、患者基因型与目标组织纳入约束,在极短时间内完成个性化序列—修饰联合设计,把“可编程药物”的优势发挥到极致。8.4 产业化与临床应用趋势
低成本修饰工艺产业化。工艺创新的核心目标是降低单位疗效成本:提高固相合成规模与收率、开发低成本高纯度修饰单体、简化 GalNAc 连接子合成、发展液相/酶法合成与连续流工艺,以及建立严格的杂质控制与质量控制体系。成本的下降将直接决定小核酸药物能否从“高价罕见病药”走向“大众慢性病药”。
多适应症差异化优化方案普及。随着平台成熟,针对不同组织、不同靶点、不同给药频次的“序列—修饰—递送”模板库将不断丰富:肝脏用 GalNAc-siRNA、中枢用鞘内 ASO、肌肉/心脏用 AOC 或 CPP 偶联、眼科用玻璃体注射、肾脏用肾小管摄取优化等。差异化方案将显著降低新药研发的边际成本。
靶向递送与优化技术深度融合。序列优化、化学修饰与递送系统将不再是三个独立模块,而是联合设计:递送载体决定给药途径与组织分布,序列与修饰决定分子稳定性、靶标识别与胞内活性,三者共同决定药效窗口。LNP 的可电离脂质、GalNAc 的连接子化学、AOC 的抗体—连接子—寡核苷酸界面都将被纳入统一优化。
从罕见病向常见病、慢性病拓展。已获批药物多聚焦遗传性罕见病,但 inclisiran 在动脉粥样硬化性心血管病中的成功已证明“长效敲低+低频给药”在慢性病中的商业与临床价值。未来十年,小核酸药物有望向高血压、非酒精性脂肪性肝炎、慢性肾病、肥胖、阿尔茨海默病、常见肿瘤等大适应症延伸,而这一进程高度依赖更低成本、更安全、更长效的序列与修饰技术。
AI驱动的一体化序列优化与修饰设计九、总结与展望
核心要点回顾。小核酸药物以碱基互补配对为底层逻辑,实现了对 RNA 层面的可编程干预,正在成为继小分子与抗体之后的第三类药物模态。本报告系统梳理了其分类与作用机制,指出天然核酸存在磷酸二酯键易降解、2′-羟基不稳定、配对容错导致脱靶、负电荷阻碍入胞、外源核酸触发免疫五大结构缺陷。序列优化以提升特异性、降低脱靶、优化亲和力、减少免疫激活为核心,通过靶点筛选、碱基精修、二级结构优化与脱靶专项优化,为药物筑牢“识别正确靶标”的基础;化学修饰以提升稳定性、改善药代、降低免疫原性、增强摄取、延长半衰期为目标,通过核糖、骨架、碱基、末端与偶联五类改造,把“易降解的分子”转化为“可成药的药物”。二者协同,是突破临床应用瓶颈的核心技术路径。
当前突破与尚存短板。已取得的突破包括:GalNAc 偶联使皮下给药与数月药效成为现实,2′-OMe/2′-F 与 PS/MOE 等修饰组合成为成熟工业平台,LNP 递送支撑了首个 siRNA 药物获批,AI 与高通量测序显著加速序列设计。尚存短板同样清晰:复杂靶点特异性筛选难、高保守靶点脱靶难避、序列与递送矛盾难平衡;部分修饰成本高、过度修饰带来活性下降与蓄积毒性、新型修饰长期安全性未知;序列与修饰的协同适配规律缺乏通用定量模型。
未来方向与前景。智能序列设计将借助深度学习与高通量实验闭环,大幅压缩研发周期并拓展设计空间;新型低毒、高稳定、可降解修饰与精准定点修饰将持续拓宽安全窗;一体化“序列—修饰—结构—药效—安全性”平台将使精准化、定制化药物优化成为可能;低成本工艺与差异化方案将推动小核酸药物从罕见病走向常见慢性病。可以确信,序列优化与化学修饰是小核酸药物高质量发展的核心支撑,二者的深度融合将决定这一药物模态在未来十年能否兑现其“可编程治疗”的全部潜力。附录 A 术语与缩写对照表
为便于阅读与检索,本附录汇总报告中出现频率较高的术语、缩写与化学修饰符号,并给出中文释义与功能要点。
缩写/术语
中文全称/释义
功能要点
RNAi
RNA 干扰
双链 RNA 诱导的序列特异性基因沉默
siRNA
小干扰 RNA
双链 RNA,经 RISC 介导靶 mRNA 切割
miRNA
微小 RNA
内源单链非编码 RNA,网络化调控基因表达
ASO
反义寡核苷酸
单链核酸类似物,降解或空间位阻调控 RNA
shRNA
短发夹 RNA
茎环前体,经 Dicer 加工为 siRNA
sgRNA
单链向导 RNA
引导 Cas 核酸酶定点编辑 DNA/RNA
RISC
RNA 诱导沉默复合体
装载向导链并执行靶 RNA 识别与切割
AGO2
精氨酸蛋白 2
RISC 核心蛋白,具核酸内切酶活性
RNase H1
核糖核酸酶 H1
切割 RNA-DNA 异源双链中的 RNA
gapmer
间隙型 ASO
中央 DNA 间隙+两端修饰翼的 ASO
LNP
脂质纳米颗粒
可电离脂质为基础的核酸递送载体
GalNAc
N-乙酰半乳糖胺
靶向肝细胞 ASGPR 的糖配体
ASGPR
去唾液酸糖蛋白受体
肝细胞表面受体,介导 GalNAc 摄取
PS
硫代磷酸酯
骨架修饰,抗酶解、增强蛋白结合
2′-OMe
2′-O-甲基
核糖修饰,降免疫、增稳定
2′-F
2′-氟
核糖修饰,增强亲和力与酶抗性
MOE
2′-O-甲氧乙基
ASO 常用核糖修饰,药代/毒理平衡
LNA
锁核酸
桥接核糖修饰,高亲和、高稳定
cEt
约束乙基
二代 LNA 类似物,安全窗较宽
UNA
解锁核酸
开环核糖,降亲和、阻断链装载
PMO
磷酰二胺吗啉代寡核苷酸
电中性骨架,空间位阻调控
PNA
肽核酸
肽骨架核酸,电中性高亲和
5-mC
5-甲基胞嘧啶
碱基修饰,掩蔽 CpG 免疫原性
Ψ
假尿苷
碱基修饰,降免疫、增稳定
N1mΨ
N1-甲基假尿苷
mRNA 常用修饰,显著降免疫原性
ESC
增强稳定化化学
2′-OMe/2′-F 等组合提升代谢稳定性
AOC
抗体—寡核苷酸偶联物
抗体介导的肝外靶向递送
CPP
细胞穿透肽
促进核酸跨膜与内体逃逸
PAM
原间隔序列邻近基序
Cas 核酸酶识别所必需的短序列
NHEJ
非同源末端连接
DNA 双链断裂的易错修复通路
HDR
同源定向修复
依赖模板的精确修复通路
PK
药代动力学
药物吸收、分布、代谢、排泄规律
PD
药效动力学
药物效应及其时间过程
ADA
抗药物抗体
针对治疗性核酸的免疫应答
ISG
干扰素刺激基因
天然免疫激活的标志基因
CMC
化学、制造与控制
生产工艺与质量控制体系附录 B 序列优化与化学修饰关键设计规则速查
● 保守性优先:靶位点优先选人—鼠—猴保守区,避开人群高频 SNP,保证临床前外推与覆盖变异。
● 可及性优先:优先选单链区、茎环、内部环,避开深埋茎区与强蛋白结合区。
● 种子区铁律:siRNA 向导链 2–8 位避免与任何非靶 mRNA 3′ UTR 完全互补,降低 miRNA 样脱靶。
● 末端规则:使反义链 5′ 端热力学较弱,引导正确链装载 AGO2;正义链 5′ 端阻断磷酸化以抑制乘客链脱靶。
● 中央区严格:第 9–12 位保持完全配对保证切割;将靶标与同源物的差异位点置于中央区以实现选择性切割。
● GC 分层:总体 GC 30%–55%(siRNA/ASO),sgRNA spacer 40%–60%,避免连续 ≥4 nt 的 G/C 与低复杂度区。
● 免疫基序规避:剔除或分散 CpG、GU 富集、5′-三磷酸;必要时用 5-mC、Ψ 等碱基修饰掩蔽。
● 核糖修饰按功能分区:识别区保证亲和,切割区保留酶学兼容,末端强化抗外切酶,偶联位点选择活性干扰最小锚点。
● PS 适度铺设:两端翼区与连接处用于抗外切酶,避免全链高密度 PS 带来的蛋白结合毒性。
● 过度修饰警惕:高密度 LNA/2′-OMe/PS 可能降低活性并引发肝/肾/血小板毒性,应“少而精”。
● 递送协同:肝脏优先 GalNAc 偶联,中枢/眼科优先局部给药,肝外探索 AOC/CPP/脂质偶联。
● 迭代闭环:每轮“设计—合成—测定—建模”保留前 10%–20% 分子,用数据反哺设计规则。
从技术成熟度看,序列优化与化学修饰的发展将大致经历三个阶段。近期(3–5 年),以 GalNAc 肝靶向 siRNA/ASO 为代表的长效化、低频给药方案将进一步普及,AI 辅助序列设计与高通量验证将显著缩短“靶点到先导”周期,立体纯 PS 与精准定点修饰将进入更多临床候选。中期(5–10 年),肝外递送(AOC、CPP、脂质偶联)有望在肌肉、心脏与中枢系统取得确定性突破,可降解修饰与低毒高稳修饰将改善长期给药的安全性,一体化“序列—修饰—结构—药效—安全”平台将成为标准研发基础设施。远期(10 年以上),个体化定制核酸药物、基因编辑与碱基编辑药物、以及常见慢性病大适应症的组合治疗方案,将把小核酸药物推向“平台化、精准化、普惠化”的成熟阶段。在这一进程中,序列优化与化学修饰始终是决定药物能否跨越“实验室活性”与“临床成药”鸿沟的两大核心技术支撑;谁能在二者协同的定量规律上取得领先,谁就掌握了下一代核酸药物的设计话语权。
● 递送与序列联合评价:任何序列或修饰变更后,都应重新验证其与递送载体(LNP 包封率、GalNAc 受体结合、AOC 稳定性)的兼容性,避免“分子层面优化、制剂层面失效”。
● 可逆性优先:对 miRNA 网络与剪接调控类药物,优先选择可逆、剂量可调的空间位阻机制,而非不可逆的永久敲除,以保留安全退出路径。
● 多终点决策:最终候选的选定应同时满足沉默效率、脱靶、免疫原性、药代、毒性与成本六项约束,采用“加权多属性决策”而非单指标排名,防止在单一维度上过拟合。
对研发实践的启示。对从事小核酸药物研发的团队而言,本报告的实践含义可凝练为三点:一是把“靶点遗传学证据+序列特异性+结构可及性”作为立项与设计的前置关卡,宁可在序列阶段多花时间,也不要让一个有脱靶隐患的母核进入昂贵的修饰与毒理阶段;二是把化学修饰视为“与序列联动的系统工程”,按功能分区选择修饰并随序列迭代,而非套用固定修饰模板;三是尽早建立高通量、标准化的“序列—修饰—表型”数据闭环,用数据与模型替代经验试错。唯有如此,才能把序列优化与化学修饰从“技艺”提升为“可复现的工程科学”,支撑小核酸药物高效、安全、可放大地走向临床与产业化。参考文献
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