近年来,小核酸药物研发和临床治疗取得了多项突破性成果,已成为全球投资新风口和生物制药巨头的必争之地,核酸疗法进入快车道。
小核酸药物主要通过碱基互补配对原则作用于细胞内的mRNA,通过调控蛋白质的表达,实现治疗疾病的目的,传统的小分子化药和抗体类药物主要作用于蛋白质,成药靶点受限,小核酸药物靶向mRNA的机制,为新药研发提供了大量丰富的候选靶点。小核酸药物具有研发周期短、效果持久、研发成功率较高、不易产生耐药性和治疗领域广等优点。预计未来在新药研发技术路径上,可能会出现三足鼎立的局面,小分子、抗体、小核酸药物分别占三分之一,小核酸药物将引发第三次浪潮。
小核酸药物分类
根据小核酸结构、药物机制、作用靶点的不同,发展出了多种类型,包括反义寡核苷酸(ASO)、小干扰RNA(siRNA)、适配体RNA(aptamer RNA)、微小RNA(miRNA)、小激活RNA(saRNA)和CpG寡核苷酸 (CpG oligonucleotide)、核酶(ribozyme)、转运RNA(tRNA)、抗体核酸偶联药物(ARC)等。目前研究最热门的小核酸药物主要是ASO、siRNA 和Aptamer。
1.反义寡核苷酸 (ASO)
ASO作用于mRNA到蛋白质的翻译过程,在研究和应用的小核酸药物中占据了主导地位。ASO是一种人工合成的短单链寡核苷酸,进入细胞后,通过两种途径调控蛋白质生成。目前全球有9个ASO药物曾获批上市,超过50个ASO药物处于临床研究阶段,治疗领域覆盖中枢神经系统、心血管、抗感染和肿瘤等。领军企业Ionis开发的诺西那生钠是目前销售额最大的ASO药物,2021年销售额为19亿美金。
目前越来越多的基于ASO的疗法正在临床试验中进行测试。ASO药物递送的改进可能会在不久的将来改变许多疾病的治疗格局。
图注:ASO作用机制
2.小干扰RNA (siRNA)
RNA干扰(RNAi)是一种古老的生物机制,用于防御外部入侵。理论上,它可以以序列特异性的方式沉默任何与疾病相关的基因,使小干扰RNA(siRNA)成为一种有前途的治疗方式。在没有保护性递送载体的情况下,siRNA必须进行化学修饰,以确保肠胃外给药后循环的稳定性。
siRNA是一类人工合成的双链短RNA分子,能够结合AGO蛋白组装成RNA诱导沉默复合体 (RISC),其一条链被降解,另一条链通过碱基互补配对原则结合并切割降解靶基因的mRNA、 阻断靶蛋白的表达,从而达到治疗相关疾病的目的。具有高度特异性。美国Alnynam公司走在 siRNA药物研发的前列,2018年公司获批的siRNA药物Patisiran 是全球首个siRNA药物,成为开辟siRNA药物市场的先锋。
N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)偶联是增加siRNA靶器官积累和促进其细胞摄取的有效方法。优化的siRNA设计和有利的给药途径是临床翻译GalNAc−siRNA的关键因素。另外最初为ASO疗法设计的骨架化学进展也已应用于siRNA疗法。同时,给药途径影响了GalNAc−siRNA偶联物的临床翻译并影响了患者的依从性。经过二十年的研发,市场上已有5款siRNA药物,siRNA疗法目前已经树立了一个非凡的里程碑,因为它已经并将继续改变人类疾病的治疗和管理。它可以每季度一次,甚至每年两次给药,即可以达到长效治疗效果。
图注:经过临床前和临床评估的siRNA递送平台
3.RNA适配体(Aptamer)
Aptamer是一段经体外筛选得到的,折叠成特殊三维结构的短单链寡核苷酸,能特异性结合较大范围的目标,包括蛋白质、小分子、金属离子、病毒、细菌和全细胞,其高特异性和结合亲和力可达到抗体水平。相比抗体药物,核酸适配体具有体积小、较低免疫原性、无细胞化学合成以及较强组织穿透力、易修饰成本低等优点,在疾病诊断、治疗和预防中有着广泛的药物应用潜力。但其三维构象受pH影响较大,亲和性高度依赖于溶液性质。第一款 Aptamer 药物Pegaptanib于2004 年获FDA批准。它是一种具有29个核苷酸的RNA适配体,5’端的聚乙二醇部分可延长其在人体内的停留时间。Pegaptanib 通过空间结构与血管内皮生长因子(VEGF)结合,抑制血管生成达到治疗效果,因此被开发用于治疗湿性年龄相关性黄斑变性。
图注:适配体应用机制
图注:特异性Aptamer与靶蛋白结合的三维示意图
4.其它小核酸药物类型
已上市小核酸药物
近年来FDA已批准了多款小核酸药物,主要用于治疗罕见病。截至2020年,全球累计超50个小核酸药物处于临床研究阶段,覆盖神经、心血管、感染和肿瘤等领域,共计有 15 款小核酸药物获批上市。但有2款早期ASO药物与1款适配体药物由于销售额过低等原因而退市,目前仍在市场的有7款ASO、5款siRNA药物。
这些药物的研发药企相对集中,大多是Ionis与Alnylam这两家公司。除此之外,目前上市的siRNA药物的递送系统多为GalNAc递送系统,这也是目前应用最成熟的小核酸递送方式。而第一款siRNA药物是使用了脂质纳米粒(LNP),由于LNP递送系统的构建拥有较高壁垒,目前全球发展靠前的几家企业,其技术溯源也都是依靠专利授权。
图注:全球已上市小核酸药物
根据沙利文统计,行业整体规模从2016年的0.1亿美金增长至2021年的32.5亿美金。根据evalsuate Pharma和BCG 统计分析,预计2024年全球小核酸市场规模将会达到 86亿美元。未来随着临床阶段产品的不断上市,修饰技术和递送技术的不断发展,适应症从遗传病等小人群适应症扩大到广泛人群适应症,整体市场将继续保持快速增长。
截止到2021年,小核酸药物中销售额最大的是Spinzara(诺西那生钠注射液),用于治疗罕见脊髓肌萎缩反义寡核苷酸(ASO),2021年全球销售额19亿美金。Inclisiran是首个获批用于常见慢性病的小核酸药物,用于原发性高胆固醇血症的治疗,2021年底美国获批上市。杜氏营养肌不良领域是行业内关注度较高的适应症,已有4个小核酸药物获批上市。
Nusinersen(诺西那生钠):2016年首次上市,由Ionis研发,是一种反义寡核苷酸(ASO),诺西那生钠注射液可以改变SMN2前mRNA的剪接,从而增加完整长度SMN蛋白的产生。2019年中国获批上市,且于2021年纳入国家医保目录。诺西那生钠可用于出生3天的婴儿到80岁的老人,适用人群非常广泛。截止到2021年,全球有11000人使用过诺西那生钠。
Inclisiran首个覆盖慢性病的小核酸药物:
LDLC(低密度脂蛋白胆固醇)升高是导致心血管疾病发生的主要危险因素。PCSK9蛋白是LDLR重要的负调控蛋白,通过抑制PCSK9,能减少肝细胞LDLR的降解,使肝脏始终可以高效地处理LDLC,从而降低血浆中的LDLC。
上述药物我们用下表可以做一个总结如下:
Source: 2020 Advances in oligonucleotide drug delivery
小核酸药物常见递送系统
递送方式与效率是小核酸药物能否进入细胞发挥作用的关键。小核酸药物进入细胞面对两大挑战,一是RNA暴露在血液中容易被血浆和组织中的RNase酶降解;二是带负电的RNA难以跨膜进入胞内。尽管不同的RNA疗法可能具有不同的作用机制,但它们都必须避免被非靶器官清除,必须进入正确的组织,而不会引发有害的免疫反应。
按照不同递送技术分类,可以分为裸露RNA修饰递送技术、脂质体纳米递送技术、共轭连接递送系统(小分子配体、抗体及其他分子)和其他多种类型的新型递送系统(如多聚体纳米粒递送系统、细胞外囊泡递送系统)。其中,LNP和GaINac技术相对成熟。GaINac技术主要靶向肝脏,未来靶向其他器官的药物递送系统也有望突破,如Alnylam和 Arrowhead正在研发的针对中枢神经系统、眼睛、肾癌细胞与肺上皮细胞等递送系统。
数据来源:Nature、沙利文,申万宏源研究文章
来源:细胞基因疗法