Atu-027

文献笔记 这篇发表于2025 年的综述系统梳理了小核酸药物从实验室到临床的转化全景，核心涵盖 ASO、siRNA、aptamer、miRNA、saRNA、piRNA 六大类小核酸的作用机制，重点阐述核糖 / 碱基 / 骨架化学修饰与脂质纳米粒 (LNP)、GalNAc 偶联、多肽、聚合物、外泌体等递送系统，汇总19 款已上市小核酸药物（11 款 ASO、2 款适配体、6 款 siRNA）及大量临床试验进展，指出免疫原性、递送效率、器官靶向、研发成本是核心挑战，并提出 AI 辅助设计、精准修饰、靶向递送优化为未来方向 引言 小核酸治疗药物的基本概念 小核酸药物能够通过多种机制调控基因表达，具有广泛的研究和应用潜力。 与传统治疗方法相比，小核酸药物有望通过基因编辑实现持久甚至治愈性效果。 小核酸药物与传统药物的比较优势 靶点范围更广：传统药物主要靶向蛋白质，而人体中仅有约 1.5% 的基因编码蛋白质，其中 80% 为“不可成药”靶点； 而小核酸药物可直接靶向核酸，理论上可作用于任何基因。 设计简便：一旦目标基因序列已知，设计相应的核酸药物相对容易。 成本低、研发周期短：核酸合成工艺简单，研发门槛较低。 当前研究热点与发展趋势 ASO 药物虽然最早应用，但其稳定性依赖大量的化学修饰，例如 PS 骨架修饰。这些修饰在增加稳定性的同时，也会增加其与“非预期蛋白”的结合，这正是 ASO 药物产生毒性的一个重要原因。 siRNA 的作用机制 (RNAi) 是细胞内天然存在的。因此，在设计 siRNA 药物时，可以利用这个天然机制，对其骨架进行比 ASO 更少的修饰，就能达到治疗目的。2018 年首个 siRNA 药物获批后，siRNA 进入快速发展阶段。 小核酸药物的商业潜力和临床价值已被证实，未来有望治疗更多难治性疾病。 Fig. 1 小核酸药物的研发与临床转化循环。小核酸药物的开发始于针对特定疾病设计核酸序列。研究人员筛选出最佳序列后，对其进行化学修饰，以提升稳定性、降低毒性并优化药代动力学特性。修饰后的序列被封装进递送载体，以增强其在体内的稳定性，确保药物能精准到达靶器官。随后通过体外和体内实验评估其有效性、安全性与药效，为临床试验筛选出最优候选药物。进入临床试验后，医务人员详细记录患者的疗效与不良反应。研究人员借助人工智能分析临床数据，深入理解药物性能，并据此反馈指导实验室进行下一轮优化——调整化学结构或递送载体。这一“设计-测试-反馈-优化”的循环反复进行，直至药物达到预期标准，最终获批进入临床应用。 Fig. 2 从小核酸药物发现到临床应用的关键里程碑时间线。每个柱状条代表在 ClinicalTrials.gov 数据库中记录的注册开始时间，清晰地描绘了核酸治疗研究领域日益增长的发展势头（数据截至 2024 年中期）。 六类小核酸药物 根据分子作用机制，治疗性核酸大致可分为八类：aptamer（适配体）、siRNA、miRNA、ASO、saRNA（小激活 RNA）、piRNA（PIWI 相互作用 RNA）、mRNA 和 pDNA（质粒 DNA）。 但文献主要关注小核酸治疗，所以 mRNA 和 pDNA 不包括在内 (Fig. 3)。 Fig. 3 六种小核酸的功能机制。a ASO；b 适配体；c siRNA；d miRNA；e piRNA；f saRNA。 1. 反义寡核苷酸 (ASOs) ASOs 是长度约 18-30nt 的人工合成单链核酸，通过与目标 RNA 结合来调控基因表达。 机制一：依赖 RNase H1 的切割 这是 ASO 最经典的作用方式。 ASO 通常设计成“gapmer”模式，即中央为一段 8–10 个 DNA 核苷酸，两端为修饰过的 RNA。与目标 RNA 结合后，RNase H1 在双链区的 5′ 端下游约 7–10 个核苷酸处切割目标 RNA 链，导致其降解。该机制在细胞核与细胞质中均有效。 机制二：空间位阻：ASO 与目标 RNA 高亲和力结合，通过形成物理“路障”，在不切割 RNA 的前提下干扰其功能。 抑制翻译：结合于 mRNA 的起始密码子区域，阻止核糖体结合，从而阻断蛋白质合成。 调节剪接：结合于 pre-mRNA，使剪接体无法识别特定的剪接信号，从而改变剪接方式（如实现外显子跳跃或外显子保留），最终改变蛋白质的生物学特性。 激活基因表达：通过以下方式增加目标蛋白表达： ① 结合于上游开放阅读框的起始密码子，解除其对主开放阅读框的翻译抑制； ② 结合于提前终止密码子，防止目标 mRNA 被无义介导降解； ③ 结合于外显子连接复合物，同样可诱导 mRNA 降解，从而间接调控表达。 面临的挑战与对策 先天缺陷：单链 ASO 易被细胞内核酸酶降解，且因需与目标序列严格互补，序列优化空间有限。 解决方案：通过引入化学修饰（如修饰核苷酸或骨架），显著提高其结合亲和力与抗降解能力。 优势：特别在 gapmer 结构的 ASO 中，可以容纳更多化学修饰而不影响 RNase H1 的活性。 2. 适配体 (Aptamers) 适配体是短的、单链核苷酸（DNA 或 RNA，通常 20-100 nt），能通过折叠形成独特的三维结构（如发夹、G-四联体等），从而发挥功能。 作用机制：核酸界的“化学抗体” 适配体能像抗体一样，以高亲和力和高特异性识别并阻断靶标分子。 相比传统抗体，适配体优势明显： ① 体外化学合成，成本低、合成周期短、批次稳定 ② 免疫原性低，不易引发机体免疫反应 ③ 体积小、结构灵活，能结合抗体无法触及的“隐藏表位” 筛选方法：SELEX 高亲和力适配体主要通过一种名为 SELEX（指数富集的配体系统进化）的体外筛选技术获得。 SELEX 基本流程是一个重复循环：孵育（随机文库与靶标混合）→ 结合与分离（洗掉未结合或弱结合的序列）→ 洗脱（回收结合的序列）→ 扩增（对回收序列进行PCR扩增，用于下一轮筛选）。 通常经过 5-15 轮循环，即可富集到高亲和力候选适配体。 技术升级：传统 SELEX 像“黑箱子”，可能筛不到最优适配体。为此，研究者开发了多种改进技术： 微流体 SELEX 和 高通量测序 SELEX：可在更少轮次内获得更高亲和力的适配体。 毛细管电泳 SELEX：大幅缩短筛选时间，降低筛选成本 RaptRanker：通过对高通量测序数据进行评分和排名，能更有效地识别出最佳适配体。 3. 小干扰 RNA (siRNA) 结构与组成 siRNAs 是双链 RNA 分子，通常由 20-25 个碱基对组成。 两条链的 3' 端均有 2nt 突出，每条链的末端分别具有 5' 磷酸基团和 3' 羟基基团。 包含两条链：引导链（也称反义链），负责引导切割目标基因；过客链（也称正义链），在形成复合体后被清除。 作用机制： 组装 RISC 复合体：双链 siRNA 进入细胞质后，Argonaute 2 蛋白会清除过客链，释放出引导链，并与 Dicer 和 TRBP 蛋白共同组装成 RNA 诱导沉默复合体。TRBP 有助于引导链正确定位并与 AGO2 结合。 切割目标 mRNA：装载了引导链的 RISC 复合体与目标 mRNA 特异性结合。AGO2 在引导链配对序列的 5' 端第 10 和 11 位核苷酸之间切割 mRNA。 基因沉默：被切断的 mRNA 结构不稳定，随后被降解，最终导致目标基因表达下调。 设计原则：最初，siRNA序列的选择依赖实验经验，但现在更多地采用生物信息学方法辅助设计。关键的设计原则包括： 靶向位置：优先靶向基因的编码区或 3'-UTR区，避免靶向 5'-UTR； 序列特异性：确保与非目标 mRNA 无互补性或同源性，以避免脱靶效应； 结构优选：优选 21 个核苷酸长度、3' 端有 2nt 突出且 5' 端带有磷酸基团的 siRNA； 避免过长：避免使用过长的双链 RNA，以防触发非特异性 mRNA 降解或细胞凋亡； 无二级结构：防止引导链形成二级结构，确保其能顺利与目标 mRNA 结合； GC 含量：维持 GC 含量在 30% 至 52% 之间； 链的不对称性：保证引导链的 5' 端热力学稳定性较低（倾向于含 U 或 A 碱基），以确保其被 RISC 复合体优先选择； 降低免疫原性：在引导链中避免富含 U 或 GU 的序列以降低免疫原性； 降低成本：考虑用脱氧核糖核苷酸（如 TT）替换 3' 突出端的核糖核苷酸以降低合成成本。 4. 微小 RNA (miRNA) miRNA 的作用机制与 siRNA 相似，但二者在来源和调控广度上有显著不同。 生物合成与成熟过程：内源性 miRNA 的生成是一个多步骤的精密加工过程。 转录：在细胞核内，编码 miRNA 的基因通过 RNA 聚合酶 II 转录生成初始转录本，称为 pri-miRNA。 首次切割：随后，DGCR8 协助 Drosha 在距连接处约 11 bp 处切割 pri-miRNA，生成约 60-70nt 的发夹结构，称为 pre-miRNA。 核质转运：pre-miRNA 通过 EXP5 复合物被转运出细胞核。 二次切割与成熟：进入细胞质后，Dicer 酶将其剪切为更短的、成熟的双链 miRNA/miRNA* duplex。 形成 miRISC：双链解开后，其中一条链 (引导链，miRNA*) 被装载进 Argonaute 蛋白，形成 miRISC 复合物，另一条链（过客链）则被降解。 作用机制：miRISC 主要通过其“种子序列”与目标 mRNA（通常是 3'-UTR）进行不完全互补配对。这种结合主要导致翻译抑制，在少数情况下也可引起 mRNA 降解，从而实现基因沉默。 关键特点：与 siRNA 不同，单个 miRNA 可以同时调控多个不同的 mRNA，参与调节多种蛋白质的表达。 新的研究发现 尽管大多数 miRNA 被认为是细胞质中的负调控因子，但研究发现细胞核中也存在 miRNA。 更有研究表明，某些 miRNA（如 miR-24-1）在细胞核中能结合 RNA 增强子，具有激活基因表达的功能。 药物开发与应用 目前临床上的 miRNA 药物主要是 miRNA 模拟物，旨在增强特定 miRNA 的功能，从而下调目标基因。 由于其序列与天然分子相同，对其进行化学修饰难度大，但设计上有几项原则： ① 必须为双链结构：双链 miRNA 模拟物的基因沉默效率比单链高约 100–1000 倍。 ② 理想长度为 22 bp：与天然成熟 miRNA 双链的长度一致，有助于保证 Dicer 加工效率和药物稳定性。 ③ 种子区与 3′ 区应富含 AU 序列：可防止引导链的 3′ 区域与靶 RNA 发生过强结合，降低脱靶效应。 ④ pre-miRNA 长度影响加工：前体长度变化可能影响 Dicer 的切割位点选择，进而改变 miRNA 的种子序列与引导链的确定。 5. PIWI 相互作用 RNA (piRNA) 定义与基本特征：piRNA 是一类长度为 26–31nt 的单链小非编码 RNA。其概念于 2006 年被提出，特征是与主要表达于生殖系统的 PIWI 蛋白（Argonaute 蛋白亚家族）结合，通过沉默转座元件来调控基因表达，其作用机制区别于 siRNA 和 miRNA。 生物合成与作用机制 来源：内源性 piRNA 由基因组中的 piRNA 簇（主要在染色体基因间区）转录而来。 加工过程：piRNA 簇在核内转录为 pri-piRNA 后，运至胞质，经 Zucchini 酶切割、修剪和甲基化，最终与 PIWI 蛋白形成成熟的 piRNA 诱导沉默复合体（piRISC）。该复合体可返回细胞核，在转录水平沉默靶基因。 信号放大：成熟的 piRNA 可通过 “乒乓循环” 机制（与 AGO3 或 AUB 蛋白结合后切割新的 pri-piRNA）实现自我扩增。 沉默特点：piRNA 介导的基因沉默（包括转录和转录后水平）对靶标序列的错配容忍度较高。 治疗潜力与研究方向 癌症关联：尽管 piRNA 目前多用于基础机制研究，但证据表明其在癌症发生发展中起关键作用，可作为癌基因或抑癌基因，调控肿瘤细胞的增殖、迁移和凋亡。 治疗前景：靶向 piRNA 或其通路为肿瘤治疗提供了新策略，如设计 piRNA 模拟物或抑制剂。已有研究表明，调节特定 piRNA（如 piRNA-36712）可增强化疗效果。 现存挑战：实现器官特异性递送以最大限度减少脱靶效应，是 piRNA 走向临床前研究的主要障碍，需进一步阐明其在各类癌症中的作用机制。 6. 小激活 RNA (saRNAs) 定义与结构：saRNAs 是长度为 21 个核苷酸的双链 RNA，其 3' 末端有 2nt 突出。其独特功能是通过 RNA 激活机制上调目标基因的表达。 作用机制 进入细胞：saRNA 双链进入细胞质后，首先与 AGO2 蛋白结合，并在 RNA 解旋酶 A作用下解链。 核内转运：在 importin-8 介导下，携带引导链的复合物进入细胞核。 激活转录：引导链引导复合物与目标基因的启动子区域结合，招募 PAF1 复合物，组装成 RITA 转录激活复合物。 表达上调：该复合物最终启动 RNA 聚合酶 II进行转录延伸，从而增加目标蛋白的表达。 设计关键 靶点选择：必须包含能与目标基因启动子或 3' 末端互补的序列。 避免脱靶：靶向区域需具有独特性，避免与其他序列同源；同时应避开 CpG 岛或 DNA 高甲基化区域。 结构完整性：双链结构是必需的，单链 saRNA 无效。 序列精确性：种子区域的任何突变都可能严重影响 RNAa 效率，甚至导致完全失效。 特点与比较 vs. siRNA/miRNA（沉默）：saRNA 的作用是激活而非沉默。其效果持续时间更长（约 2 周），但达到治疗效果所需的浓度更高（nM 级别）。 vs. mRNA（替代蛋白）：saRNA 成本更低（核苷酸数少），递送难度更小（分子量小）。它通过激活内源基因，免疫原性风险更低，也避免了外源基因过度表达的风险。 小结 化学修饰 化学修饰的目的与必要性 未经修饰的裸核酸在体内易被核酸酶快速降解并从血液中清除，因此化学修饰对于开发有效的核酸药物至关重要。 化学修饰的主要目标包括：增强小核酸与目标序列的结合能力、提高对核酸酶的稳定性、优化药代动力学特性、减少副作用。 Fig. 4 小核酸的化学修饰。常见修饰可分为三类： 核糖修饰：通常在核糖的 2' 端（蓝色框）和糖链（橙色框）上进行。 碱基修饰：常见修饰对象为尿嘧啶、腺嘌呤和胞嘧啶（紫色框），同时核糖也可被完全替换（红色框）。 骨架修饰：骨架的磷酸二酯键（PO）可通过改变非桥氧原子（青色框）、3'-桥氧原子（绿色框）或整个 PO 键（金色框）来降低小核酸的净阴离子电荷。 1. 核糖修饰 2' 位修饰：对核糖的 2' 位置进行化学改造，是应用最广泛、最成功的策略之一。常见的修饰包括 2'-F、2'-OMe 和 2'-MOE，这些修饰均已被证实有效且已实现商业化应用。 糖环结构改变 锁核酸 (LNA/BNA)：通过引入桥接结构限制核糖构象，既能提升血清稳定性，又可降低脱靶效应。 解锁核酸 (UNA)：结构与 LNA 相反，其核糖环是“打开”的，增加了双链的灵活性，常用于精细调控 RNA 双链的解离过程。 甘醇核酸 (GNA)：是一种非环状的核酸类似物，其简化结构能显著降低双链体的热稳定性。 约束乙基 (cEt)：LNA 的衍生物，多一个甲基，兼具高亲和力和良好耐受性。 2. 碱基修饰 通过对天然碱基进行化学替换，可以调节核酸药物的免疫原性和结合特异性。 替换天然碱基：例如： 用假尿苷 (Ψ)、N1-甲基假尿苷 (m1Ψ) 等替代尿苷。 用 N6-甲基腺苷 (m6A) 替代腺苷。 用 5-甲基胞苷 (m5C) 替代胞苷。 引入通用碱基：用硝基吲哚这类“通用碱基”替换原有碱基，可以减少与非目标序列的非特异性结合，从而降低脱靶效应。 整个核苷酸结构的替换或重构 引入寡核苷酸类似物：通过引入人工合成的类似物来增强核酸的整体性能，例如： 肽核酸 (PNA)：不带电荷的中性骨架，能增强与靶RNA的结合选择性和热稳定性。 三环 DNA (tc-DNA)：构象受限的寡核苷酸类似物 吗啉代寡核苷酸 (PMO)：用吗啉环替代五碳糖。 3. 骨架修饰 骨架修饰主要通过改变连接核苷酸的磷酸基团，来降低核酸的负电荷并提高其抗酶解能力。 主要策略：对 PO 键的非桥接氧原子、桥接氧原子进行替换，或完全替换整个 PO 键。 替换非桥接氧 将磷酸二酯键上的一个非桥接氧原子替换为其他基团。 其中最著名、应用最广的是硫代磷酸 (PS) 修饰。它能显著提高核酸在体内的代谢稳定性，是许多 ASO 和 siRNA 药物的基础。但 PS 修饰也是一把双刃剑，它可能增加药物与某些蛋白质的非特异性结合，从而引发毒性或免疫反应。此外，PS 修饰会产生两种立体异构体，它们的药效和安全性不同。 其他类似修饰还包括甲基磷酸酯 (MP)、磷酸二硫代 (PS2)、硼烷磷酸酯 (BS) 等。 替换桥接氧：如用碳或氮替换 3'-桥接氧，形成 3'-亚甲基膦酸酯或 N3'-磷酰胺。 完全替换 PO 键：用全新的化学结构替代整个磷酸二酯键。例如 C3-酰胺修饰或亚甲基甲亚氨基 (MMI)，这些修饰能完全抵抗核酸酶。 修饰策略的整合与优化 多修饰组合：现代核酸药物常采用多种修饰策略组合，如在 siRNA 中同时使用 2'-F、2'-OMe 和 PS 修饰，以平衡稳定性、效力和安全性。 修饰位置的选择：不同位置（如末端、种子区、中央区）对活性、脱靶效应和免疫原性影响不同 GalNAc 偶联：通过与 N-乙酰半乳糖胺偶联，实现肝靶向递送，是目前最成功的靶向修饰策略之一。 小核酸药物的递送系统 小核酸药物要发挥治疗作用，必须克服一系列体内障碍，安全、高效地抵达目标细胞内部。裸漏的、未经修饰的核酸在体内极易被核酸酶降解，并迅速被清除。因此，开发安全有效的递送系统是实现小核酸药物临床转化的关键。 Fig. 5 小核酸药物递送技术。a 六种常见的非病毒递送载体。b 小核酸药物被靶细胞摄取的途径示意图。c 内涵体逃逸示意图。 Lipid-based nanoparticles (LBNPs) 这是目前临床上最先进的递送载体之一，利用脂质分子包裹核酸，保护其免受降解并促进细胞摄取。 脂质体 原理：由脂质双层构成的球形囊泡。最早使用的阳离子脂质体通过静电作用与带负电的核酸结合。 特点： ① 能有效包裹核酸。 ② 但阳离子脂质体在体内易与带负电的血浆蛋白结合，导致清除快、半衰期短，并可能引起毒性。 ③ 通过表面修饰（如 PEG 化）可增加其稳定性。 脂质纳米颗粒 (LNPs) 通常由四种关键脂质组成：可电离脂质（核心成分）、聚乙二醇化脂质、胆固醇、辅助磷脂。 摄取与释放：主要通过网格蛋白介导的内吞和巨胞饮作用进入细胞。在内体的酸性环境中，可电离脂质促进核酸从内体逃逸到细胞质中发挥作用。 挑战：PEG 可能引起过敏反应和加速血液清除现象。LNP 静脉注射后主要在肝脏富集，可通过改变脂质成分或添加靶向分子来调整其组织靶向性。 脂质纳米乳：油水混合的纳米乳液，油相可保护核酸，并能通过吸附血浆中的载脂蛋白（如 ApoE）实现肝靶向。 固体脂质纳米粒和纳米结构脂质载体：由固体或混合脂质组成，具有更好的稳定性和控制释放能力。 多肽类递送系统 主要指细胞穿透肽 (CPPs)，这是一类能携带核酸穿过细胞膜的小肽 (5-30aa)。 原理：CPPs 通常带有正电荷，能与带负电的核酸通过静电作用形成复合物，或通过化学键共价连接，从而介导细胞摄取。 分类 阳离子 CPPs：富含精氨酸和赖氨酸，带正电，如源于 HIV 的 TAT 肽。 两亲性 CPPs：同时含有极性和非极性区域，能更好地与细胞膜相互作用，如 MPG 肽。 疏水性 CPPs：主要依靠疏水区域与细胞膜结合，毒性可能较低。 优势：递送效率高，可定制化。 挑战：其临床转化仍需要更多的研究和试验验证。 聚合物递送系统 利用合成或天然的聚合物与核酸通过静电作用形成复合物。 原理：阳离子聚合物通过“质子海绵效应”促进内涵体逃逸，保护核酸并促进细胞摄取。 主要类型：聚赖氨酸、聚乙烯亚胺 (PEI)、聚 β-氨基酯 (PBAEs)、树枝状大分子、环糊精。 外泌体 细胞分泌的天然纳米级囊泡，作为新型递送载体备受关注。 优势：高度生物相容性、低免疫原性、能穿透生物屏障（如血脑屏障）。天然具有归巢效应，倾向于被亲本细胞摄取。 核酸装载方式 主动装载：如电穿孔、超声处理、反复冻融、机械挤压等。 被动装载：如将核酸与外泌体共孵育，或转染亲本细胞使其分泌携带有特定核酸的外泌体。 靶向性改造：通过基因工程或化学修饰，在外泌体表面连接上特定的配体或抗体，实现特定器官或细胞的靶向递送。 挑战：大规模、高质量的生产难度大且成本高；来源于肿瘤细胞的外泌体可能存在转移致癌基因的风险。 共轭物递送系统 将小核酸药物与特定的靶向分子通过连接子共价结合，实现主动靶向。 N-乙酰半乳糖胺 (GalNAc) 共轭连接 原理：GalNAc 能特异性识别并结合肝细胞表面高表达的去唾液酸糖蛋白受体。结合后通过内吞进入肝细胞。 特点：这是目前最成功、应用最广泛的肝靶向递送技术，已有多款 FDA 批准的 GalNAc-siRNA 药物上市。能显著提高核酸在肝细胞的富集（6-7 倍），并实现皮下注射。 结构：通常为三叉结构的 GalNAc，通过连接子与核酸相连。 其他脂质共轭物：如胆固醇、维生素 E 等。这些疏水分子可以帮助核酸与体内的脂蛋白（如 LDL）结合，从而改变其在体内的分布和清除途径，实现对肝脏或其他组织的递送。 无机纳米颗粒 利用金属或非金属材料的独特物理化学性质来递送核酸。 金纳米颗粒 特点：尺寸、形状可调，易于表面功能化（如连接巯基修饰的核酸、PEG、靶向肽等），生物相容性好。 应用：可高效负载核酸，保护其不被降解，并实现基因沉默。能穿透血脑屏障。 二氧化硅纳米颗粒（特别是介孔二氧化硅纳米颗粒） 特点：具有巨大的比表面积和可调的孔径，负载能力强，稳定性好，易于功能化。 应用：表面可修饰阳离子聚合物（如 PEI）来结合核酸。但需注意其潜在的长期毒性问题。 氧化铁纳米颗粒 特点：具有超顺磁性，可在外部磁场引导下实现药物靶向富集，并可被磁共振成像追踪。 应用：常用于脑部疾病的药物递送。表面经修饰后可结合核酸和靶向肽。 无载体递送 通过对小核酸药物本身进行化学修饰，使其能够不依赖任何递送载体，直接进入细胞发挥作用。 特点：设计精巧，具有高生物安全性和低免疫原性。 应用：通过特定化学修饰增强其稳定性，用于局部给药（如滴眼、鼻腔喷雾）或自组装成纳米结构。 挑战：易被降解、缺乏靶向性、体内命运难预测，限制了其广泛应用。 临床转化 截至文献发表时，已有11款ASO药物、2款适配体和6款siRNA药物获得批准上市，更多的候选药物正在临床试验阶段。 Fig. 6 临床试验中小核酸药物的特征总结。a 小核酸药物的多种给药途径。b 已上市小核酸药物的给药途径。c 临床试验中小核酸药物的给药途径。d 小核酸药物的临床试验分期。e 临床试验中小核酸药物的靶器官分布。 感染性疾病 主要研究领域： 肝炎 (HBV、HCV、HDV) 是重点。 代表性 ASO 药物 Bepirovirsen (GSK3228836)：靶向 HBV RNA，已进入 III 期临床试验。 GSK3389404、RO7062931、ALG-020572：均为靶向 HBV 的 GalNAc-ASO。ALG-020572 因肝毒性（ALT 升高）被终止。 RG-101：靶向 miR-122，用于 HCV 治疗。 代表性 siRNA 药物 VIR-2218、RBD-1016：靶向 HBV X 基因。 RG6346、ARC-520、ALG-125755：靶向 HBV S 基因。 AB-729：改善疗效但因战略原因终止。 ARC-520/521：有效降低 HBsAg，但因递送系统毒性（动物死亡）终止。 其他感染性疾病 ALN-RSV01：靶向 RSV，鼻内给药，显示保护效果。 MIR 19a：靶向 SARS-CoV-2，缩短中度 COVID-19 患者恢复时间。 TKM 系列（如 TKM-130803）： 靶向埃博拉病毒，临床试验因疗效不足或企业决策终止。 肝脏疾病 这是小核酸药物最成功的领域。 已获批的 ASO 药物 Mipomersen (Kynamro)：靶向 ApoB-100，用于纯合子家族性高胆固醇血症。 Inotersen (Tegsedi)：靶向 TTR mRNA，用于 hATTR 淀粉样变性。 Volanesorsen：靶向 APOC3，用于家族性乳糜微粒血症综合征（EMA 批准，FDA 因血小板减少拒批）。 已获批的 siRNA 药物 Patisiran (Onpattro)：靶向TTR，LNP 递送，用于 hATTR。 Givosiran (Givlaari)： 靶向 ALAS1，用于急性肝性卟啉病。 Lumasiran (Oxlumo)： 靶向 HAO1，用于原发性高草酸尿症 1 型。 Vutrisiran (Amvuttra)： 靶向 TTR，GalNAc 偶联，用于 hATTR。 Inclisiran (Leqvio)： 靶向 PCSK9，用于动脉粥样硬化性心血管病。 眼部疾病 ASO 药物 Fomivirsen：首个获批 ASO，用于 CMV 视网膜炎，后因更优疗法退市。 QR-421a、QR-110：用于视网膜色素变性和先天性黑蒙症。 Aganirsen：靶向 IRS1，用于缺血性视网膜静脉阻塞。 siRNA 药物 AGN211745：靶向 VEGFR-1，用于年龄相关性黄斑变性，临床试验终止。 Bevasiranib：靶向 VEGF，III 期试验因严重不良事件终止。 Tivanisiran：靶向 TRPV1，用于干眼症，完成 III 期试验。 SYL040012：靶向 ADRB2，用于青光眼和高眼压症，显示降眼压效果。 肺部疾病 ASO 药物 TPI ASM8、SB010、AIR645：用于哮喘。 TPI 1100：靶向 PDE4/7，用于 COPD。 Eluforsen： 靶向 CFTR，用于囊性纤维化，改善肺功能。 IONIS-ENAC-2.5Rx： 靶向 ENaC，用于囊性纤维化，II期临床试验中。 siRNA 药物：相关药物较少，仍处于早期阶段。 神经系统疾病 ASO 药物 亨廷顿病： WVE-120101、WVE-120102 靶向 SNP，因疗效不足终止。 ALS：Tofersen 靶向 SOD1，降低 SOD1 水平，但未显著改善临床终点。 C9orf72 相关 ALS：BIIB078 无临床获益，终止开发。 SMA：Nusinersen 靶向 SMN2，改善运动功能，FDA批准。 siRNA 药物 Patisiran：虽不直接靶向神经，但通过肝靶向治疗 hATTR 神经病变。 ALN-APP：靶向 APP，用于早发性阿尔茨海默病，已进入临床试验。 肌肉疾病 针对杜氏肌营养不良症，已有Eteplirsen、Golodirsen 等 ASO 药物获批，通过外显子跳跃策略恢复抗肌萎缩蛋白的表达。 肿瘤 ASO 药物 G4460： 靶向 c-MYB，用于 CML。 Danvatrisen (AZD9150)：靶向 STAT3，用于淋巴瘤，显示疗效。 IONIS-AR-2.5Rx：靶向 AR，用于前列腺癌，疗效有限。 EZN-4176：靶向 AR，因肝毒性终止。 siRNA 药物 CALAA-01：靶向 RRM2，首个靶向 siRNA，因毒性终止。 siG12D LODER：靶向突变 KRAS，用于胰腺癌，II期试验中。 Atu027：靶向 PKN3，用于胰腺癌，I/II 期试验中。 siRNA EphA2-DOPC：靶向 EphA2，用于卵巢癌，I 期试验中。 DCR-MYC 靶向 MYC，用于肝癌，因企业决策终止。 ALN-VSP02：靶向 VEGF 和 KSP，用于实体瘤，显示抗肿瘤活性。 TKM-080301：靶向 PLK1，用于肝癌，疗效有限。 基于 MicroRNA 的疗法 miR-122 抑制剂 Miravirsen：用于 HCV，安全有效。 RG-101：疗效显著，但因黄疸报告终止。 miR-34a mimics MRX34：用于肝癌等，I期显示疗效，但存在严重AE。 其他 miRNA 药物 MRG-201：靶向 miR-29，用于硬皮病。 MRG-110：靶向 miR-92a，用于伤口愈合。 CDR132L：靶向 miR-132，用于心衰。 MRG-106：靶向 miR-155，用于淋巴瘤，II 期终止。 未来挑战与方向 目前存在的限制与不足 尽管小核酸药物在临床上取得了一定成功，但仍面临以下几个主要挑战： 1. 时间和资金成本高 从实验室到临床应用的过程非常漫长，涉及大量的研究和多期临床试验。 药物研发成本极高，尤其是设计和生产复杂的小核酸药物，加上严格的监管要求，导致研发投入巨大。 高风险和高成本也使得投资者望而却步，进一步延缓了药物开发进程。 2. 免疫反应风险 小核酸药物可能被人体免疫系统识别为外来物质，引发不必要的免疫反应。 例如，某些化学修饰（如硫代磷酸修饰）可能激活免疫系统，导致炎症反应。 有些药物还会引起血小板减少（如某些 ASO 药物），这与它们的化学结构有关。 纳米颗粒本身也可能引起毒性，尤其是在肺、肝、肾等器官中。 如何提高核酸药物的递送效率？ 为了克服递送难题，研究者正在开发高通量筛选方法，用于筛选出更有效的纳米载体（如 LNP）。 系统筛选方法：通过改变脂质种类、比例、结构等，找到最适合特定组织（如肺部）的递送载体。 体内筛选平台：建立可以在活体内测试的筛选系统，以评估不同载体在真实生理环境中的表现。 机器学习辅助设计：利用人工智能预测哪些纳米颗粒组合更有效，减少实验次数，提高效率。 人工智能在小核酸药物开发中的应用 人工智能正在改变药物开发的多个环节，尤其是在序列设计、靶点预测、效率评估等方面： TREAT 平台：整合多种基因网络，帮助筛选和优化 RNA 药物的靶点和序列。 MysiRNA 模型：通过机器学习提高 siRNA 的疗效预测准确率，最多提升 18%。 eSkip-Finder：帮助研究者快速找到可用于外显子跳跃的 ASO 序列。 Cm-siRPred 算法：预测化学修饰后 siRNA 的效果，辅助设计更稳定的药物。 AGILE 平台：利用深度学习加速脂质分子的筛选，用于 mRNA 递送。 提高药物的特异性递送 为了精准地将药物送到特定细胞，研究者正在探索以下方法： 靶向配体修饰：如 RGD 肽（靶向肿瘤血管）、RVG 肽（靶向中枢神经）等，能帮助药物更精准地进入目标组织。 SORT 分子策略：通过添加“选择性器官靶向”分子，改变脂质纳米颗粒的靶向性，使其定向递送到脾、肺等器官。 细胞器递送系统：如线粒体、外泌体等天然细胞结构，被改造用于药物递送，具有高生物相容性。 外泌体工程：通过修饰外泌体表面，使其更精准地递送药物，已进入临床试验阶段。 提高药物的安全性 为了减少副作用，研究者正在从以下几个方面入手： 优化 RNA 结构：通过调整双链 RNA 的热力学稳定性，确保只有正确的“引导链”被选中，减少错误靶向。 改进化学修饰：如 2'-F/Me 修饰，不仅能提高稳定性，还能减少免疫反应和脱靶效应。 降低纳米颗粒毒性：通过表面修饰（如 PEG）减少纳米颗粒的免疫原性，或将其包裹在红细胞膜中“伪装”起来。 智能设计软件：如 OligoWalk、AttSiOff 等工具，帮助预测和筛选低脱靶风险的 RNA 序列。 合理选择靶基因 选择正确的靶基因是治疗成功的关键： 靶向特定突变基因：如 SOD1 基因突变与家族性 ALS 相关，ASO 药物可特异性靶向其 mRNA，减少毒性蛋白产生。 APP 基因靶向：在阿尔茨海默病中，ALN-APP 通过 C16-siRNA 技术靶向 APP mRNA，减少 Aβ 蛋白生成。 基因组工具辅助：如 NGS、WGS、单细胞基因组学等，帮助精准识别和验证靶基因。 优化核酸序列以减少脱靶效应 为了确保药物只作用于目标基因，研究者正在： 改进序列设计算法：利用 AI 和机器学习预测序列与全基因组的相互作用，提前识别潜在脱靶风险。 优化热力学稳定性：确保引导链正确选择，减少非特异性结合。 建立更全面的基因数据库：涵盖不同人群和罕见变异，提高预测模型的准确性。 探索新型小核酸系统 除了现有的 siRNA、ASO 等，研究者也在开发新型核酸药物系统： TNA（苏糖核酸）：比传统修饰更抗降解，具有更高的稳定性。 tFNA（四面体框架核酸）：结构可控、易进入细胞，还能清除活性氧，适合作为递送载体。 caged-siRNA 系统：将多个 siRNA “锁”在一个分子结构中，释放后可同时靶向多个基因。 参考资料 Liu M, Wang Y, Zhang Y, Hu D, Tang L, Zhou B, Yang L. Landscape of small nucleic acid therapeutics: moving from the bench to the clinic as next-generation medicines. Signal Transduct Target Ther. 2025 Mar 10;10(1):73. doi: 10.1038/s41392-024-02112-8. PMID: 40059188. 如有侵权请联系删除。有误的地方敬请批评指正，欢迎交流讨论🤝