据《生物工程与生物技术前沿》近期发表的一篇综述文章作者所述，“我们正处于一场治疗革命之中”。他们指出，在持续进行的 SARS-CoV-2 大流行中，人们对 RNA COVID-19 疫苗的关注在一定程度上推动了 RNA 疗法在现代研究和临床开发中的快速扩张。
传统上，药物研发主要由所谓的小分子药物（定义为任何低分子量的有机化合物）主导，这些药物在医学领域仍有广泛应用。然而，生物技术和分子生物学的进步使研究人员能够设计出从单克隆抗体、重组蛋白到寡核苷酸和基因/基因片段等多种大分子药物候选物。因此，“生物制剂”已成为当今治疗工具箱中的关键角色。截至 2020 年初，生物制剂占据了全球十大畅销药物中的七席。
此外，基于核酸的药物设计应运而生，目前正处于快速扩张期。虽然 RNA 疗法的临床开发传统上受到效率和免疫原性等挑战的阻碍，但近期 mRNA COVID-19 疫苗的成功和多种 RNA 药物的获批为该领域注入了强劲动力。利用 CAS 内容合集™（全球最大的人工标引科学知识库），我们对 RNA 在现代医学中的应用进行了深入探讨。
阅读相关的 CAS 洞察报告：《RNA 衍生药物：研究趋势与发展综述》
RNA 疗法的优势与挑战
靶向“不可成药”靶点
RNA 疗法的一大优势在于，RNA 药物可用于靶向那些难以或无法通过小分子药物进行干预的“不可成药”分子。仅约五分之一的蛋白质能被常用药物（包括小分子和抗体）靶向，且无法利用传统小分子或单克隆抗体（它们结合于蛋白质受体或酶的活性位点口袋，因此需要翻译过程已经完成）来靶向非编码 RNA。
合成简便
与蛋白质相比，RNA 产品在制造工艺的简便性、成本效益和速度方面具有显著优势，这一点在近期的 RNA 疫苗开发中尤为突出。基于核酸的策略还可以利用哺乳动物细胞的细胞机制，规避复杂的合成过程（如翻译后修饰）的需求。
此外，RNA 序列可以快速调整，从而针对不同靶点提供定制化分子。这极大地加快了开发进程，这一点在 COVID-19 RNA 疫苗的快速研发中得到了充分体现。
安全性与副作用
由于 DNA 药物会进入细胞核，它们引发了安全性担忧，因为存在整合到宿主基因组中的潜在风险。除了用于基因组编辑的 CRISPR-Cas 系统 RNA 外，其他 RNA 不会改变基因组物质，且不存在基因组整合的风险。
然而，RNA 疗法可能存在特异性问题，从而带来副作用风险，且其易降解性可能导致药效动力学表现不佳，从而增加了应用难度。其中一些问题可以通过对 RNA 进行化学修饰来缓解，这也是目前研究的重点方向。
递送
与小分子药物相比，RNA 疗法通常分子量较大且带有高电荷，这使得它们 胞内递送 的天然形式面临挑战。
RNA 疗法的研究趋势
自 1995 年以来，包含 RNA 疗法相关信息的期刊和专利数量稳步增长——专利数量在 2001 年左右达到峰值（可能与首次使用编码肿瘤抗原的 mRNA 转染树突状细胞的人体临床试验有关），而期刊数量在 2020 年出现激增（极有可能是受 COVID-19 mRNA 疫苗研究热潮的推动）（图 1）。
随着新型 RNA 的不断发现，RNA 研究逐渐趋于多元化，特别是在 siRNA、miRNA、lncRNA 和 CRISPR 领域（图 2）。circRNA、外泌体 RNA、lncRNA 和 CRISPR 的发表量增长速度明显快于其他领域。值得注意的是，2020 年 CRISPR 技术占 RNA 相关专利申请总量的 20%。这与 获批进入临床试验 的 CRISPR 疗法 数量的加速增长相吻合。
干扰新发现 RNA 的功能被认为是一种有前景的治疗手段，有望克服传统疗法的局限性（表 1）。
RNA 疗法主要针对哪些治疗领域？
传染病和癌症显示出最大的增长潜力，且处于研究阶段的疗法数量最多（图 3 和图 4）。COVID-19 疫情推动了传染病 RNA 药物在研究阶段和获批疗法数量上的增长（图 4），并促成了首批获批 mRNA 疗法的上市。
解决 RNA 疗法面临的挑战
RNA 化学修饰可用于保护 RNA 免受降解并提高靶向特异性，从而 降低脱靶效应带来的副作用风险。除化学修饰外，包含纳米材料的递送载体 也可用于保护 RNA 免受降解，并辅助治疗药物输送至预定靶点。
根据 CAS 内容合集的数据，RNA 修饰的应用始于 1995 年，且与较短的序列长度相关（图 5）。18-27 核苷酸长度的修饰 RNA 占主导地位，反映了该序列长度在特定 RNA 形式（siRNA 和 ASO）中的应用。对 FDA 批准的 RNA 药物中修饰情况的检查，证实了 RNA 类型与其修饰方式之间的相关性。
RNA 碱基修饰
带有干扰氢键形成修饰的非经典核苷酸 可以热不稳定化 与靶标的双链形成，从而通过限制脱靶结合来提高靶向特异性。此外，修饰还能提升治疗性 RNA 的性能。在治疗性 mRNA 中使用修饰碱基 N1-甲基假尿苷（例如在 COVID-19 mRNA 疫苗 中），能够改善翻译效率并降低 mRNA 引起的细胞毒性副作用和免疫反应。辉瑞的 Comirnaty 和莫德纳的 Spikevax mRNA 疫苗均使用了通过 5’ 三磷酸连接到 mRNA 5’ 端的 7-甲基鸟苷帽，复制了自然界中存在的 mRNA 帽结构，从而防止 mRNA 5’ 端降解。
核糖修饰
RNA 核糖 2’ 位的修饰可以 增加稳定性 并 减少脱靶效应。 2’ 位最常见的修饰包括 2’-O-甲基、2’-氟、2’-O-甲氧乙基 (MOE) 和 2’-胺。
骨架修饰
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 纳米载体相关研究
虽然免疫原性和核酸酶稳定性等生物屏障通常可以通过修饰 RNA 的化学结构来解决，但仍需额外的递送系统来克服体内的其他障碍。 将 RNA 包封在纳米颗粒中 是保护和递送 RNA 的有效途径。目前，CAS 内容合集中有近 7,000 篇与 RNA 递送系统相关的科学文献。在 RNA 载体相关研究中，脂质纳米颗粒占据主导地位，其次是聚合物纳米载体（图 6）。
结论
RNA 疗法是一类快速增长的药物，有望改变许多疾病的治疗标准。与传统的小分子和生物大分子药物相比，它们具有成本效益高、生产相对简单以及能够靶向以往“不可成药”位点等优势。通过化学修饰和 RNA 纳米载体，可以消除或减轻其在稳定性、递送和脱靶效应方面面临的经典挑战。对 CAS 内容合集 的检索显示，传染病（如 COVID-19）和癌症是 RNA 的关键治疗领域，且环状 RNA (circRNA)、外泌体 RNA、长链非编码 RNA (lncRNA) 和 CRISPR 的文献发表量增长率尤为显著，其中 CRISPR 相关研究目前正处于爆发式增长阶段。
聆听专家见解
如需获取更多见解，请 观看近期举办的 ACS 网络研讨会，了解当今 RNA 疗法领域的领军人物最关注的方向。本次小组讨论汇集了来自不同研究背景的专家，包括：
- John P. Cooke 博士，RNA 疗法中心医学主任
- Robert DeLong 博士，堪萨斯州立大学纳米技术创新中心副教授
- Barb Ambrose 博士，CAS 高级信息科学家
- Ramana Doppalapudi 博士，Avidity Biosciences 化学副总裁
- 主持人：Gilles Georges 博士，CAS 副总裁兼首席科学官
