生物科技的下个10年：RNA药物“王者归来”

返朴 · 公众号 · · 2019-12-23 08:05

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RNAi的特异，高效和简便性使得siRNA迅速成为最流行的基因调控工具。2001年，RNAi技术被《科学》杂志评为2001年的十大科学进展之一。2002年斯坦福大学的Mark Kay在 Nature 上发文证明人工合成的siRNA可以在小鼠上有效敲低目标基因的表达，这让制药界意识到siRNA在临床应用的可能性。2003年，RNAi被美国财富杂志称为价值亿万美金的生物科技突破。这一年，正值DNA双螺旋结构发现50周年，还发生了一件里程碑事件：人类基因组项目宣布完成。后基因组时代和RNAi技术的突破，让人们觉得“程序化”制药的梦想即将实现。

先前成立的，拥有大量专利的siRNA生物科技公司Alnylam和Sirna迅速成为跨国公司眼里的香饽饽。siRNA药物的第一次繁荣在2006年达到高潮：当年的诺贝尔生理或医学奖颁给了发现RNAi的Fire和Mello；默沙东用11亿美金收购了Sirna；武田，罗氏和诺华纷纷与Alnylam签署巨额合同。

可惜好景不长，在随后的几年内siRNA药物由于递送和免疫反应的问题屡遭挫折。2010年，先是诺华和罗氏中止与Alnylam的合作，随后辉瑞和雅培中止了自己的RNA项目。默沙东坚持多年，于2014年将Sirna以低于原收购价20%的价格卖给了Alnylam。这些动作被媒体放大后，业界普遍认为siRNA只能作为研究工具，成药的希望渺茫。

具有讽刺意味的是，大公司放弃这些资产时，正是siRNA技术取得突破并重新崛起的时候。比如2010年加州理工大学的一项研究证明siRNA人体有效，并能够进入肿瘤组织 ^[7 ^] 。2013年，Alnylam公司在新英格兰杂志上发表了patisiran安全有效的临床数据 ^[8 ^] 。当然也有慧眼，Arrowhead从2011年到2015年借机收购了大量别人放弃的RNA资产。Alnylam和Dicerna等公司也没有放弃，通过裁员等措施度过了最艰难的时期。

在Alnylam等公司的努力下，siRNA药物目前已有两个上市，至少5个处于三期，9个二期，8个一期（表2 ）。自2018年起，大公司又开始大肆收购siRNA资产，代表性Deal如表3所示，预示着siRNA药物迎来了第二次浪潮。

表2：上市和处于三期的siRNA药物

表3：最近的siRNA Deals

3）核酸适配体药物（Aptamer）

在RNA药物里，Aptamer算是一个异类。因为他们不是通过碱基配对来发挥作用，而是类似于蛋白质，依靠自身的三维结构与配体结合。

1990年8月份，美国Colorado大学和麻省总医院的科学家分别在 Science 和 Nature 发表文章，显示通过体外进化和筛选，可以得到与目标分子紧密结合的RNA分子，亲合力和特异性与单抗相当 ^{[9, 10} ^] 。

他们把这个筛选过程叫做”Systematic Evolution ofLigands by Exponential Enrichment （SELEX） ”。而Aptamer这个名字则是来自拉丁文字“aptus”，意思是“to fix”，中文翻译成适配体。

SELEX符合适者生存的进化原理，RNA文库与靶标孵育一定时间后，未结合的分子被移除，而结合的分子洗脱后经RT-PCR扩增形成新的化合物库，重复上述过程，经过8-20轮筛选，一般能得到高特异性和高亲和力的适配体。这个方法也适应于DNA适配体的筛选。基因测序技术的发展大大加速了适配体的发现，而且这些适配体还可以进一步进行化学修饰，目前学术报道的用于治疗和诊断的适配体超过1000个。

适配体作为药物也有过荣光时刻，2004年FDA批准了第一个适配体药物Pegaptanib，靶向VEGFR，用于治疗老年黄斑病变（AMD）。可惜“既生亮,何生瑜”，那时也正是单抗技术飞速发展的时代。FDA同年批准了治疗肿瘤的VEGFR单抗Avastin，处方外可以用来治疗AMD，疗效和安全性优于Pegaptanib。2006年更优的，治疗AMD的Lucentis上市，Pegaptanib淘汰出局。随后，Fovista （anti-PDGF）和Reg1 （anti-FIXa）两款临床阶段的适配体药物相继失败，Reg1甚至造成了一个病人死亡（PEG过敏），适配体逐渐被工业界边缘化。

理论上，适配体免疫原性小，易于合成，靶点范围广，甚至能够结合活性细胞，也能靶向细胞内的靶点，还是有不少独特的优点。然而，随着单抗技术的成熟，大公司已经没有兴趣进行大的投入。有意思的是，长期研究适配体，从学术界转行到工业界的科学家Matthew Levy于2018年发表综述文章，从另一个角度审视了适配体领域衰退的原因 ^[11 ^] 。

他认为学术不端造成适配体研究结果不可重复，是药物临床失败和工业界放弃该领域的一个重要原因。Levy试验室用FCS技术重复了大量文献报道的适配体分子，相当一部分根本不可重复。联系文章作者，经常得到的回复是“你们试验做得不对”。指望这种只在自己手里工作的分子将来变成一个药物，Levy认为是在愚弄自己。

Levy指出还有很多试验室专注于表型研究，而不愿意花时间验证适配体本身与靶点的结合是否可靠，而很多时候，观察到的表型是其他原因造成的。更有甚者，为了发文章而罔顾科学事实。比如AS1411是一款结合肿瘤细胞表面抗原nucleolin的抗癌药物。研究表明，AS1411虽然结合nucleolin，但是不能造成nucleolin内吞，但是仍有大量通过AS1411/nucleolin递送药物进入肿瘤细胞的文章发表。Levy呼吁，适配体是好的药物分子，但研究领域需要改变，提高结果的可重复性，让工业界重拾信心。中国科研诚信问题最近成为热点，Levy提到的这些教训尤为应景，值得思考。

4）信使RNA(mRNA)药物

1961年，在DNA双螺旋结构发现8年之后，Brenner等人发现DNA和蛋白质之间原来还有“中间人”，即mRNA ^[12 ^] 。没有这个中间人，基因这个生命的蓝图除了一串化学符号之外什么都不是。mRNA的结构，功能和代谢立即成为研究的热点。

1990年，威斯康辛大学科学家首次证明，在动物上直接注射体外转录的mRNA可以表达蛋白 ^[13 ^] 。1992年，美国Scripps研究所的一项工作展现了mRNA治疗疾病的潜力，他们通过脑内注射Vasopressin mRNA，成功缓解了大鼠的尿崩症 ^[14 ^] 。可惜，在随后的20年内，这是唯一的，mRNA作为蛋白替代疗法的尝试。主要是由于mRNA稳定性和免疫原性问题，人们把注意力更多地放在体外稳定的plasmid DNA上。然而，人们逐渐发现DNA作为药物，问题也很多。比如，药物需要入核，还容易造成基因插入突变等。随着化学改造和药物传递技术的发展，RNA药物的稳定性和免疫原性逐渐得到克服 ^[15 ^] ，mRNA作为药物的优点和潜力慢慢展现。

首先，mRNA虽然是核酸分子，但与DNA不一样，他们的作用是暂时的，完成工作后即被降解，造成基因突变的风险很小；

第二，一旦靶点确定，mRNA药物的发现和设计几乎是程序化的，无需费时费力；

第三，碱基及其类似物，RNA合成酶和固相合成设备的商业化让mRNA的合成变得简便。生产成本也大为下降。有专家估计，在当前的技术水平下，mRNA药物的生产成本是单抗的十分之一左右。这些特点让mRNA的研发和生产的速度大大加快。2013年，中国爆发禽流感，中国疾控中心公开病毒基因序列后第8天，诺华疫苗部门就完成了一个mRNA疫苗的发现和验证，创造了一个目前还无人打破的纪录 ^[16 ^] 。这种速度完全可以与病毒变异保持同步，有望彻底解决棘手的耐药问题。

第四，一个mRNA药物可以同时表达多种蛋白，这为多价疫苗，比如肿瘤个性化疫苗，以及多蛋白联合用药提供了独特的便利性。这个特点甚至可以用来设计自我复制的mRNA药物组合，也就是靶点mRNA加全套复制蛋白的mRNA。受制于递送效率， mRNA分子只有极少（0.01%）能成功进入细胞质并表达蛋白，因此需要大剂量给药，带来副作用。药物自我复制的功能有望帮助降低给药剂量。

第五，ex-vivo细胞治疗的应用。电转等技术使得体外递送mRNA进入细胞变得十分便利。将靶细胞经体外导入mRNA操作后，再回输病人体内，可以避开直接给药的困难。还可以利用mRNA重编程，体外产生用于治疗的iPSC干细胞。最后，只要递送技术允许，mRNA几乎可以在任何组织或细胞，表达任何蛋白，包括基因编辑工具TALEN和Cas9等。这样CRISPR-Cas9就可以变成一种真正意义上的RNA药物组合，包括sgRNA和Cas9mRNA。

mRNA药物理论上可以覆盖包括单抗，细胞治疗和基因编辑在内的所有当前最热门的新技术。有这样的故事，就不难理解为什么2010年成立的，聚焦mRNA技术的Moderna会成为Biotech历史上最大的IPO。截止今年4月份，Moderna累计募资19亿美元，估值已超过50亿美元。对于这样一个没有任何临床数据出来biotech，投资者的厚爱让人瞠目结舌。

表4. Moderna的管线(摘自公司官网)

但是世界上恐怕没有比生物科技翻脸更快的了，从高峰到低谷，有时就在一夜之间，只需一个病人的意外死亡。mRNA技术目前还处于非常早期。分子量大，以及蛋白翻译机器对于去免疫原性和增加稳定性所必须的化学改造容忍度低等原因，让mRNA药物的发展滞后于小核酸药物ASO和siRNA。