2020 年初，新冠疫情肆虐全球，各國(guó)藥企均大力投入疫苗研發(fā)，希望及時(shí)研發(fā)出有效疫苗以阻止疫情擴(kuò)散，這也讓原本還遠(yuǎn)離大眾視線的 RNA 療法，廣為人知。
相比于傳統(tǒng)疫苗，RNA 疫苗仿佛是專門(mén)為新冠疫情準(zhǔn)備的。美國(guó)疫苗生產(chǎn)企業(yè) Moderna 在得到新冠病毒基因組序列后，僅用了 4 天，就獲得了新冠病毒刺突蛋白編碼片段，并合成相應(yīng) RNA，隨后將其封裝便可作為新冠疫苗。
RNA 疫苗被遞送至人體后，可在人體細(xì)胞內(nèi)源源不斷的產(chǎn)生病毒蛋白，相當(dāng)于將機(jī)體轉(zhuǎn)化為“疫苗工廠”，訓(xùn)練免疫系統(tǒng)識(shí)別病毒入侵。然而，由于缺乏穩(wěn)定、強(qiáng)大的 RNA 遞送平臺(tái)，RNA 疫苗的使用始終受限。
現(xiàn)在，RNA 疫苗使用的局限性有望被打破。
來(lái)自麻省理工學(xué)院的華人科學(xué)家張鋒教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，成功開(kāi)發(fā)了一種全新RNA遞送平臺(tái)——SEND。SEND 以人體內(nèi)天然存在的 RNA 運(yùn)輸?shù)鞍?PEG 10 為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì) PEG 10 蛋白進(jìn)行改造就可以將不同的 RNA 運(yùn)送到不同的細(xì)胞或器官。由于是天然存在于人體中的蛋白質(zhì)，該平臺(tái)相較于其他 RNA 遞送方法可以有效避免機(jī)體的免疫攻擊。
圖 | 全新的 RNA 遞送平臺(tái) SEND（來(lái)源：MIT）
該研究以“Mammalian retrovirus-like protein PEG10 packages its own mRNA and can be pseudotyped for mRNA delivery”為題，發(fā)表在 Science 雜志上。
（來(lái)源：Science）
對(duì)于這一研究結(jié)果，CRISPR基因編輯技術(shù)的先驅(qū)者、Broad研究所核心研究成員、McGovern研究所研究員張鋒表示，“生物醫(yī)學(xué)界一直在開(kāi)發(fā)強(qiáng)大的分子療法，但是如何將它們精確有效的傳遞給靶細(xì)胞，仍舊具有挑戰(zhàn)性。而 SEND 有望克服這些潛在的挑戰(zhàn)?！?/div>
圖 | 因新冠疫情，mRNA 疫苗變得廣為人知（來(lái)源：Pixabay）
圖 | mRNA 藥物的脂質(zhì)納米顆粒遞送途徑（來(lái)源：Nature）
一切蛋白質(zhì)層面的疾病，都可以使用 RNA 療法解決
目前上市的小分子藥物，絕大部分的靶標(biāo)都是蛋白質(zhì)，這一策略在過(guò)去數(shù)十年來(lái)也帶來(lái)了大量好藥和新藥，據(jù)估計(jì)，接近 99%的口服藥物靶向的是致病蛋白。
但新藥研發(fā)人員對(duì)此卻并不滿足。首先，不少蛋白質(zhì)無(wú)“可成藥性”，這意味著很難對(duì)其開(kāi)發(fā)具有抑制性的小分子；其次，蛋白只占了基因組信息的極少部分。人類(lèi)的基因組中，只有 1.5%的序列編碼了蛋白質(zhì)，和疾病相關(guān)的蛋白更是只占其中的 10-15%。毫無(wú)疑問(wèn)，如果小分子藥物的靶點(diǎn)能超越蛋白質(zhì)，將給新藥研發(fā)帶來(lái)新的變革。
圖 | 因新冠疫情，mRNA 疫苗變得廣為人知（來(lái)源：Pixabay）
RNA 就是這樣一種潛在的靶點(diǎn)。在正常細(xì)胞中，RNA 有著重要的生理功能——mRNA 攜帶了基因的遺傳信息，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成；非編碼 RNA 則調(diào)控基因的表達(dá)。
靶向RNA也有著多種好處：由于處于蛋白質(zhì)的上游，靶向 RNA 有望直接對(duì)蛋白質(zhì)的翻譯效率進(jìn)行上調(diào)或下調(diào)，解決蛋白“不可成藥”的難題；RNA 在人類(lèi)基因組中極為豐富，產(chǎn)生非編碼 RNA 的序列更是占到了基因組的 70%，豐度比編碼蛋白質(zhì)的序列高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。
然而在既往的幾十年間，由于 RNA 分子容易降解，在體內(nèi)半衰期很短，一直被認(rèn)為無(wú)法成為“治療藥物”。
直到近年來(lái)，隨著技術(shù)進(jìn)步以及穩(wěn)定性化學(xué)的改進(jìn)，半衰期較短的 RNA 分子反而成為了臨床新寵，逐漸吸引了業(yè)界的注意，進(jìn)入爆發(fā)增長(zhǎng)階段。
作為一種新型療法，RNA 藥物的研發(fā)周期短、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、效果強(qiáng)、產(chǎn)能擴(kuò)張迅速、安全性更好，這是其天然的優(yōu)勢(shì)。例如，疫情期間，新冠病毒 RNA 疫苗的研發(fā)在得到病毒基因序列后數(shù)天之內(nèi)就完成了，其療效也得到了真實(shí)世界數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。
目前，RNA 療法的應(yīng)用前景十分廣闊，包括疫苗、腫瘤免疫治療、單抗藥物替代、蛋白藥物替代、輔助生殖等等。理論上，一切蛋白質(zhì)層面的疾病都可以通過(guò) RNA 療法治療。
RNA藥物的障礙：遞送
雖然 RNA 藥物的應(yīng)用前景非常廣闊，但是目前 RNA 藥物的研發(fā)也面臨著一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，那就是 RNA 遞送的問(wèn)題。
核酸藥物想要進(jìn)入體內(nèi)，主要有以下3個(gè)難關(guān)：核酸的分子量和負(fù)電荷使其不能自由通過(guò)生物膜；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(tǒng)識(shí)別；進(jìn)入細(xì)胞后 “卡” 在內(nèi)吞小體中無(wú)法發(fā)揮功能。
以上幾點(diǎn)讓 RNA 藥物發(fā)展面臨的技術(shù)障礙——藥物遞送，一直沒(méi)有得到解決。目前，解決遞送問(wèn)題主要有兩個(gè)方法：一個(gè)是改造核酸分子，讓其穩(wěn)定并躲避免疫系統(tǒng)的識(shí)別；另外一個(gè)就是利用藥物傳輸系統(tǒng)，比如說(shuō)脂質(zhì)納米顆粒（LNP）和載體病毒。
圖 | mRNA 藥物的脂質(zhì)納米顆粒遞送途徑（來(lái)源：Nature）
納米脂質(zhì)體遞送 RNA 的原理目前還不清楚，但是通常認(rèn)為，納米脂質(zhì)體通過(guò)非共價(jià)親和力和細(xì)胞膜結(jié)合并通過(guò)內(nèi)吞作用被攝取，進(jìn)入細(xì)胞后 RNA 逃離內(nèi)吞小泡，被釋放到細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)靶蛋白。納米脂質(zhì)體還可以通過(guò)相反的胞吐作用被排出細(xì)胞外，這也是通過(guò)納米脂質(zhì)體進(jìn)行 RNA 給藥需要注意的點(diǎn)。
目前 RNA 還是主要依靠納米制劑遞送，而由于納米脂質(zhì)體的限制，所以目前RNA療法僅適合肝臟、脾臟靶向治療，其他組織難以靶向。同時(shí)，mRNA 藥物過(guò)膜性低也導(dǎo)致出現(xiàn)懸殊的個(gè)體差異，如果藥物過(guò)膜性是 1%，那么 1% 的個(gè)體差異會(huì)導(dǎo)致兩倍有效藥物濃度差異，但如果過(guò)膜性是 50%，那么 1% 的個(gè)體差異則無(wú)關(guān)緊要。
現(xiàn)在業(yè)界的策略是，首先選擇疫苗這樣安全窗口較大的項(xiàng)目，但如果擴(kuò)大到更復(fù)雜靶點(diǎn)，業(yè)界需要找到可監(jiān)測(cè)藥物應(yīng)答的生物標(biāo)記。
打破RNA治療困境
PEG 10 蛋白天然存在于人體內(nèi)，源自一種類(lèi)似病毒的遺傳元件——“逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子”。PEG 10 蛋白在數(shù)百萬(wàn)年前被整合進(jìn)人類(lèi)祖先的基因組中，隨著時(shí)間的推移，PEG 10 已與人類(lèi)基因組融為一體，在人體內(nèi)發(fā)揮重要的功能。
此前，研究人員發(fā)現(xiàn)，另一種逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子衍生蛋白 ARC 可以形成病毒樣結(jié)構(gòu)，并參與細(xì)胞間 RNA 的轉(zhuǎn)移。這一研究結(jié)果表明，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子相關(guān)蛋白或許可以作為 RNA 遞送平臺(tái)用于 RNA 療法，但是此前科學(xué)家尚未成功利用 ARC 蛋白在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中運(yùn)送 RNA。
為了進(jìn)一步探索逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子蛋白的功能，張鋒教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)人類(lèi)基因組中的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子蛋白進(jìn)行了系統(tǒng)的搜索，尋找潛在可以運(yùn)輸 RNA 的蛋白質(zhì)。
初步分析顯示，人類(lèi)基因組中有 48 個(gè)基因可能編碼了逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子蛋白。其中，有 19 中蛋白質(zhì)同時(shí)存在于小鼠和人類(lèi)中。
在體外研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子蛋白 PEG 10 是一種高效的 RNA 載體蛋白。相比于其他逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子蛋白，PEG 10 在哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)穿透性更強(qiáng)，且本身就參與 RNA 運(yùn)輸。
隨后研究人員在 PEG 10 蛋白的 mRNA 中找到了識(shí)別和包裝 RNA 的分子序列。通過(guò)對(duì) FEG 10 蛋白 mRNA 分子包裝序列，以及 PEG 10 蛋白進(jìn)行修飾，研究人員試圖讓 PEG 10 蛋白搭載不同的 RNA，并靶向不同的細(xì)胞。
研究人員開(kāi)發(fā)了兩種不同蛋白修飾的 PEG 10 蛋白，并在細(xì)胞試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)靶細(xì)胞 RNA 遞送。
對(duì)此，張鋒教授表示，“我們的研究表明，通過(guò)對(duì) PEG 10 蛋白的 RNA 包裝組件和識(shí)別組件進(jìn)行改造，理論上就可以針對(duì)不同的疾病治療提供一個(gè)模塊化的平臺(tái)?！?/div>
由于 SEND 平臺(tái)所用的 RNA 載體均來(lái)源于體內(nèi)天然蛋白自，這意味著這一系統(tǒng)不會(huì)觸發(fā)機(jī)體免疫反應(yīng)，副作用大大降低。未來(lái)，SEND 技術(shù)或?qū)⑻娲{米脂質(zhì)體和病毒載體，成為適合基因編輯療法的載體。
下一步，該團(tuán)隊(duì)將會(huì)在動(dòng)物體內(nèi)測(cè)試 SEND，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)更多的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子蛋白，以便將更多的 RNA 遞送至各個(gè)組織和細(xì)胞。
