"Estamos no meio de uma revolução terapêutica", segundo os autores de um artigo de revisão recente na Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. Eles comentavam sobre a rápida expansão das terapias de RNA na pesquisa moderna e no desenvolvimento clínico, impulsionada em parte pelo interesse nas vacinas de RNA contra a COVID-19 na pandemia de SARS-CoV-2 em curso.
Tradicionalmente, o desenvolvimento de medicamentos farmacêuticos tem sido dominado pelos chamados fármacos de pequenas moléculas (definidos como qualquer composto orgânico com baixo peso molecular), que ainda possuem inúmeras aplicações na medicina. No entanto, os avanços na biotecnologia e na biologia molecular permitiram que pesquisadores projetassem agentes macromoleculares, variando de anticorpos monoclonais e proteínas recombinantes a oligonucleotídeos e genes/fragmentos gênicos como candidatos a medicamentos. Como resultado, os biológicos se estabeleceram como peças-chave na caixa de ferramentas terapêuticas disponível hoje. No início de 2020, os biológicos compreendiam sete dos 10 medicamentos mais vendidos globalmente.
Além disso, o design de medicamentos baseados em ácidos nucleicos surgiu – e está atualmente desfrutando de rápida expansão. Embora o desenvolvimento clínico de terapias de RNA tenha sido tradicionalmente dificultado por desafios como eficiência e imunogenicidade, o recente sucesso das vacinas de mRNA contra a COVID-19 e a aprovação de vários medicamentos baseados em RNA deram um impulso substancial ao campo. Usando a CAS Content Collection™ – a maior coleção de conhecimento científico publicado com curadoria humana – examinamos a aplicação do RNA na medicina moderna.
Leia o relatório relacionado da CAS Insights: "Medicamentos derivados de RNA: uma revisão das tendências e desenvolvimentos de pesquisa"
Vantagens e desafios das terapias de RNA
Visando o "inabordável"
Uma grande vantagem da terapia de RNA é que os medicamentos de RNA podem ser usados para atingir moléculas "inabordáveis", que, de outra forma, seriam difíceis ou impossíveis de atingir usando medicamentos baseados em pequenas moléculas. Apenas cerca de um quinto das proteínas pode ser alvo de medicamentos comumente usados, incluindo pequenas moléculas e anticorpos, e não é possível atingir RNAs não codificantes usando pequenas moléculas tradicionais ou anticorpos monoclonais (que se ligam a bolsas de sítio ativo de receptores de proteína ou enzimas, exigindo, portanto, que a tradução tenha ocorrido).
Facilidade de síntese
Os produtos de RNA podem ter grandes vantagens de fabricação sobre as proteínas em termos de simplicidade, custo-benefício e velocidade dos processos de fabricação, tornando-se particularmente relevantes no recente desenvolvimento de vacinas de RNA. Estratégias baseadas em ácidos nucleicos também podem contornar a necessidade de processos de síntese complexos, como modificações pós-traducionais, utilizando a maquinaria celular da célula de mamífero.
Além disso, a sequência do RNA pode ser rapidamente ajustada, fornecendo moléculas personalizadas para diferentes alvos. Isso acelera muito o processo de desenvolvimento, como ficou claro com o rápido desenvolvimento das vacinas de RNA contra a COVID-19.
Segurança e efeitos colaterais
Como entram no núcleo, os medicamentos de DNA geram preocupações de segurança devido à potencial integração ao genoma do hospedeiro. Exceto pelos RNAs do sistema CRISPR-Cas que editam o genoma, os RNAs não alteram o material genômico e não apresentam risco de integração genômica.
No entanto, as terapias de RNA podem ter problemas de especificidade que arriscam efeitos colaterais, e sua suscetibilidade à degradação pode resultar em farmacodinâmica pobre, complicando seu uso. Alguns desses problemas podem ser mitigados pela modificação química do RNA, um tópico no qual a pesquisa tem se concentrado.
Entrega
As terapias de RNA tendem a ter um tamanho grande em comparação com as terapias de pequenas moléculas e possuem uma alta carga elétrica, tornando sua entrega intracelular em suas formas nativas um desafio.
Tendências de pesquisa em terapias de RNA
Since 1995, there has been a steady increase in the number of journals and patents containing information on RNA therapeutics – with a peak in patients around 2001 (possibly related to the first human clinical trial using dendritic cells transfected with mRNA encoding tumor antigens) and a spike in journal numbers in 2020 (most likely resulting from interest in the COVID-19 mRNA vaccines) (Figure 1).
RNA research has gradually become more diversified as new types of RNA are being discovered, particularly in the areas of siRNA, miRNA, lncRNA, and CRISPR (Figure 2). The rates of increase of publication volumes of circRNA, exosome RNA, lncRNA, and CRISPR are significantly faster than the rest. Notably, CRISPR technology accounts for 20% of the overall RNA-related patent applications in 2020. This coincides with an accelerating number of approvals for CRISPR-based therapies to enter clinical trials.
Interfering with the functionality of newly discovered RNAs is considered a promising therapeutic tool to overcome the weaknesses of traditional therapeutic approaches (Table 1).
Which therapy areas are being targeted by RNA therapeutics?
Infectious diseases and cancer show the largest growth and the greatest number of therapeutics in research phases (Figures 3 and 4). The COVID-19 pandemic has escalated RNA medicines for infectious disease in both research phases and the number of approved therapeutics (Figure 4), bringing the first approved mRNA therapeutics to market.
Solving challenges in RNA therapeutics
RNA chemical modification can be used to protect RNA from degradation and improve target specificity, lowering the risk of side effects due to off-target effects. In addition to chemical modification, delivery vehicles comprising nanomaterials can be used to protect the RNA from degradation and aid the transport of the therapeutic to its desired target.
According to the data in the CAS Content Collection, the use of RNA modification began to take off in 1995 and is associated with smaller sequence lengths (Figure 5). The predominance of modified 18-27-nucleotide RNAs reflects the use of this sequence length in particular forms of RNA (siRNAs and ASOs). Examination of modifications in FDA-approved RNA medicines confirms the correlation between the type of RNA and its modifications.
RNA base modifications
Non-canonical nucleotides with modifications that interfere with the formation of hydrogen bonds can thermally destabilize the formation of a duplex with the target and thus improve target specificity by limiting off-target binding. In addition, modification can improve the performance of therapeutic RNA. The use of the modified base N1-methylpseudouridine in therapeutic mRNAs, such as in COVID-19 mRNA vaccines, improves translation and lowers cytotoxic side effects and immune response to the mRNA. Both Pfizer’s Comirnaty and Moderna’s Spikevax mRNA vaccines also use 7-methylguanosine caps linked by a 5’ triphosphate to the 5’ end of the mRNA, duplicating the mRNA caps found in nature that prevent degradation of the 5’ end of the mRNA
Modifications on ribose
Modifications at the 2’ position of the ribose in RNA can increase stability and reduce off-target effects. The most common modifications at the 2’ position include 2’-O-methyl, 2’-fluoro, 2’-O-methoxyethyl (MOE), and 2’-amine.
Backbone modifications
Modifications at the phosphate group in the sugar-phosphate backbone can improve RNA delivery by neutralizing the negative charge that can interfere with transport across membranes and confer increased resistance to nucleases, thereby extending their tissue elimination half-lives. One of the most widely used backbone modifications is phosphorothioate.
RNA nanocarrier-related research
Embora barreiras biológicas como a imunogenicidade e a estabilidade das nucleases sejam geralmente tratadas modificando a estrutura química do RNA, sistemas de entrega adicionais são necessários para superar outras barreiras no corpo. O encapsulamento de RNA em nanopartículas é uma forma eficaz de proteger e entregar RNA. Atualmente, existem quase 7.000 publicações científicas na CAS Content Collection relacionadas a sistemas de entrega de RNA. Os estudos relacionados a transportadores de RNA são dominados por nanopartículas lipídicas, seguidas de perto por nanotransportadores poliméricos (Figura 6).
Conclusões
As terapias de RNA representam uma categoria de medicamentos em rápida expansão que deve mudar o padrão de tratamento de muitas doenças. Elas possuem diversas vantagens em comparação com medicamentos tradicionais baseados em pequenas moléculas e moléculas biológicas, sendo econômicas, relativamente simples de fabricar e capazes de atingir locais anteriormente considerados "intratáveis". Os desafios clássicos enfrentados com sua estabilidade, entrega e efeitos fora do alvo podem ser eliminados ou reduzidos por meio de modificações químicas e nanotransportadores de RNA. Uma pesquisa na CAS Content Collection destacou doenças infecciosas como a COVID-19 e o câncer como áreas terapêuticas chave para RNAs e mostrou que as taxas de aumento no volume de publicações sobre circRNA, RNA de exossomos, lncRNA e CRISPR são particularmente altas – com uma notável explosão atual na pesquisa relacionada ao CRISPR.
Ouça os especialistas
Para obter insights adicionais, assista ao webinar recente da ACS para ver o que mais entusiasma os líderes atuais em terapias de RNA. Este painel de discussão conta com especialistas de diversas áreas de pesquisa, incluindo:
- Dr. John P. Cooke, Diretor Médico do Center for RNA Therapeutics
- Dr. Robert DeLong, Professor Associado do Nanotechnology Innovation Center na Kansas State University
- Dra. Barb Ambrose, Cientista de Informação Sênior na CAS
- Dr. Ramana Doppalapudi, Vice-Presidente de Química na Avidity Biosciences
- Moderado pelo Dr. Gilles Georges, Vice-Presidente e Diretor Científico na CAS
