siRNA 疗法的最新突破拓展了药物研发管线

什么是 siRNA（小干扰 RNA）？

siRNA 是一种能够沉默基因的分子。这一特性使其成为新型疗法的热门载体，这些疗法利用 RNA 干扰 (RNAi) 途径来沉默特定基因。该过程于 1998 年首次在 秀丽隐杆线虫 中被报道，并促成了 siRNA 分子的开发，这些分子通过靶向信使 RNA (mRNA) 来抑制与多种疾病相关的蛋白质的产生。

2006 年，发现 siRNA 介导的基因沉默的科学家获得了 诺贝尔 生理学或医学奖。首款获批的 siRNA 疗法 patisiran 于 2018 年获得监管批准，用于治疗遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性。此后，又有其他 siRNA 药物获批：用于治疗急性肝卟啉症的 givosiran、用于治疗原发性高草酸尿症 1 型的 lumasiran，以及用于管理高胆固醇血症的 inclisiran。最近获批的药物还包括 vutrisiran、nedosiran、fitusiran 和 plozasiran，它们进一步将 siRNA 疗法的应用扩展到了代谢、心血管和遗传性疾病领域。  

这些进展确立了 siRNA 作为一种跨越多个临床领域的精准治疗方法。从癌症到阿尔茨海默病再到艾滋病，多种疾病都可能成为 siRNA 疗法的靶点。据 Pharmaproject 统计，目前有超过 260 个 siRNA 候选药物处于临床前或临床开发阶段。  

尽管前景广阔，但迄今为止，利用这些疗法进行持续、可靠的药物开发仍面临重大挑战。未修饰的 siRNA（即未经化学修饰或特殊递送系统处理的 siRNA）极易被生物体液中普遍存在的核糖核酸酶迅速降解，这大大缩短了其有效半衰期，并削弱了其到达靶细胞的能力。此外，它们固有的负电荷和亲水性阻碍了有效的细胞摄取，使其难以穿过细胞膜并达到足够的细胞内浓度。若不进行化学修饰，还存在引发先天免疫反应的风险，可能触发脱靶炎症通路并损害整体安全性。

研究人员正在寻找能够克服这些持续障碍的新突破。化学修饰和先进的药物递送系统正取得进展，因此，siRNA 疗法正日益接近于提升多种疾病的精准医疗水平。  

siRNA 疗法的作用机制

siRNA 通过保守且受调控的 RNAi 通路介导基因沉默，从而促进特定基因转录本的转录后下调（见图 1）。

外源性 siRNA 双链通常为 21–23 个核苷酸长度，并带有 3′ 端二核苷酸突出端。这些 siRNA 被引入胞质后，会被多蛋白组成的 RNA 诱导沉默复合物（RISC）识别。RISC 激活的核心是 Argonaute 2 (AGO2) 核酸内切酶，它在双链进行 ATP 非依赖性解旋并排出乘客链后，选择性地保留引导链。

成熟的单链 siRNA-RISC 复合物随后通过沃森-克里克碱基配对与互补的靶 mRNA 转录本结合，主要结合区域位于种子区（第 2–8 位核苷酸）。在 siRNA 加工的后续步骤中，AGO2 会催化 mRNA 在引导链 5′ 端第 10 位和第 11 位核苷酸之间进行位点特异性核酸内切切割。这种切割会破坏 mRNA 的稳定性，促使其被胞质核酸外切酶降解，从而有效抑制翻译。

我们研究了 CAS Content Collection^TM，这是全球最大的人工标引科学信息库，旨在深入了解 siRNA 的研究现状。过去十年间，期刊论文发表量呈现出轻微的波动趋势。然而，专利申请量持续增长，表明该领域仍保持着强劲的商业兴趣（见图 2）。

如前所述，siRNA 疗法通过精确沉默致病基因，已迅速发展成为多个疾病领域极具前景的治疗手段。根据我们对 CAS Content Collection 的分析，癌症是研究最广泛的治疗领域（71%），其次是传染病（8%）、神经系统疾病（6%）、心血管疾病（5%）和糖尿病（5%）（见图 3）。

然而，若无化学修饰或先进的药物递送系统，这些疗法将无法充分发挥其有效治疗疾病的潜力。研究人员在这两个领域取得的进展，有望确保 siRNA 能够被递送至体内并维持在治疗水平。

例如，引入 2′-O-甲基、2′-氟基团和硫代磷酸酯键等化学修饰，能够增强核酸酶抗性，提高结合亲和力并降低免疫原性，从而稳定循环中的 siRNA。同时，脂质纳米颗粒（LNPs）、聚合物载体和靶向偶联物等先进递送系统，通过促进内体逃逸和实现组织特异性分布，在克服 siRNA 摄取的物理屏障方面发挥着关键作用。让我们更详细地探讨这些创新技术： 脂质纳米颗粒 (LNPs)、聚合物载体和靶向偶联物等先进递送系统，通过促进内体逃逸和实现组织特异性分布，在克服 siRNA 摄取的物理屏障方面发挥着关键作用。让我们更详细地探讨这些创新技术：

siRNA 疗法的化学修饰

化学修饰解决了未修饰 siRNA 的多项局限性，包括对核酸酶的敏感性、快速的肾脏清除以及潜在的免疫原性，同时还能微调结合亲和力和靶点特异性等特性。这些修饰通常根据其影响的 siRNA 分子结构组件进行分类：糖（核糖）、磷酸骨架、核碱基、末端基团以及与其他部分的偶联。

化学修饰的选择和组合取决于多个因素：RNAi 活性的保持、稳定性的增强、免疫原性的降低、药代动力学的优化以及成本效益。虽然某些修饰能带来显著益处，但也必须权衡其在设计上的复杂性增加以及大规模生产的成本。

糖（核糖）修饰

核糖 2′-位的修饰是最常用的修饰方法之一。

• 2′-O-甲基（2′-OMe）基团可提高核酸酶抗性并减少免疫刺激。
• 2′-O-甲氧基乙基（2′-MOE）修饰可进一步增强稳定性并降低毒性。
• 2′-氟（2′-F）取代可在保持高活性的同时，显著提高对酶促降解的抵抗力。
• 2′-O-烯丙基修饰用于调节药代动力学特性，在全身循环中具有优势。

诸如锁核酸（LNA）等构象修饰，凭借其受限的双环结构，赋予了分子极高的结合亲和力；而解锁核酸（UNA）则在骨架中引入了灵活性，可能减少脱靶相互作用。2′-4′ 桥连核酸也常被用于通过改善构象刚性来增强靶点特异性。

磷酸骨架修饰

siRNA 的磷酸骨架对于分子稳定性和细胞摄取至关重要。

• 硫代磷酸酯（PS）修饰通过用硫原子取代非桥连氧原子，显著增强了对核酸酶活性的抵抗力。
• 二硫代磷酸酯修饰（两个非桥连氧原子均被硫取代）提供了更高级别的保护。
• 硼烷磷酸酯修饰引入了硼烷基团以改变骨架特性，而甲基膦酸酯修饰则使骨架呈中性，在不影响细胞递送的前提下降低了免疫原性。

碱基修饰

核苷碱基修饰旨在调节免疫传感器的识别能力并改变结合亲和力，同时不破坏沃森-克里克（Watson-Crick）碱基配对。

• 引入5-甲基胞嘧啶可以降低免疫激活。
• 假尿苷在增强RNA整体稳定性的同时，能够减轻免疫反应。
• 2-硫尿苷用于增强定向结合，而肌苷则支持摆动碱基配对，这有助于减少非预期的脱靶效应。

末端和偶联修饰

末端修饰进一步改善了siRNA的药理特性。在5′端，通过磷酸基团去除或临时硅基保护等修饰，可降低递送过程中的免疫识别。在3′端，通过偶联胆固醇或添加氨基，可促进细胞膜相互作用和摄取。靶向配体（包括用于肝细胞识别的GalNAc、用于癌细胞靶向的叶酸，以及用于组织特异性递送的适配体或抗体）进一步优化了siRNA的生物分布。

稳定性与模式化修饰

其他策略包括通过突出端和内部修饰来定制结构。突出端修饰（如引入dTdT核苷酸或化学修饰的突出端）可提高对核酸酶的抵抗力。模式化修饰包括不对称修饰和位置特异性修饰。例如，对过客链进行重度修饰而对引导链进行最小化修饰，可以使RNAi机制偏向于所需的活性链；而在对RISC加载和活性至关重要的位置（如末端、中心或种子区域）进行靶向改变，可以进一步优化特异性和活性。

高级修饰

除了传统修饰外，糖核酸（GNA）、肽核酸（PNA）、吗啉代修饰和三环DNA等高级类似物代表了彻底改变骨架结构的创新方法。这些修饰提供了增强稳定性、特异性和整体药理行为的替代方案，有时还能引入传统RNA修饰无法实现的全新特性。

siRNA疗法的递送系统

siRNA研究已取得重大进展，旨在解决长期存在的稳定性差、细胞摄取率低、毒性和脱靶效应等挑战。在对CAS内容合集（CAS Content Collection）的分析中，我们调研了siRNA给药常用的递送系统，发现大多数出版物（63%）提到了非病毒递送系统，而37%提到了基于病毒载体的递送系统（见图4A）。

我们进一步分析了过去几年中每种系统出版物数量的趋势（见图4B）。脂质载体在过去几年中的出版物数量增长最为显著，而siRNA偶联物也呈现出小幅增长。病毒载体和聚合物载体的趋势相似，而无机纳米颗粒在过去几年中似乎已进入平台期。

病毒载体凭借其天然的细胞进入机制，具有很高的转染效率，在某些情况下，通过工程化衣壳修饰还可以实现组织特异性靶向。例如，AAV载体因其低免疫原性和明确的组织趋向性，已在神经和眼科疾病的临床试验中得到探索；而慢病毒系统在针对癌基因的临床前基因沉默研究中持续发挥重要作用。

脂质载体仍然是临床应用最成熟的平台。脂质纳米颗粒（LNP）结合了可电离脂质、辅助脂质、聚乙二醇化脂质和胆固醇，现已成为siRNA递送的标准，FDA批准的用于治疗遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性的药物patisiran就是一个例证。阳离子和中性脂质体（添加了pH敏感脂质以改善内体逃逸）也正在针对包括癌症和遗传性疾病在内的多种适应症进行临床和临床前评估。固体脂质纳米颗粒（SLN）和脂质复合物通过提供受控的释放曲线和可扩展的生产工艺，进一步丰富了脂质载体平台的多样性。

聚合物载体通过利用siRNA与阳离子聚合物的静电络合作用，增强了细胞摄取并促进了内体逃逸，从而扩展了递送选择。聚乙烯亚胺（PEI）、聚赖氨酸（PLL）、壳聚糖和PAMAM树枝状聚合物等材料已针对炎症、神经和肿瘤疾病进行了优化。研究人员还设计了合成聚合物（如聚β-氨基酯）和天然聚合物（包括用于靶向递送的透明质酸），通过修饰实现受体介导的摄取。

无机纳米颗粒作为siRNA载体也备受关注。金纳米颗粒（AuNPs）可通过阳离子聚合物功能化以确保siRNA的稳固结合，并已在癌症模型中因其光热释放机制而受到评估。介孔二氧化硅纳米颗粒具有可调的孔径和表面氨基功能化，专为肿瘤微环境中的受控siRNA释放而设计。由氧化铁组成的磁性纳米颗粒具有双重优势：既可通过外部磁场实现定向递送，又可通过MRI进行实时成像，从而支持其在诊断和治疗中的应用。

直接化学偶联策略为siRNA递送提供了另一条有效途径。通过将siRNA与GalNAc簇等靶向配体共价连接，研究人员实现了通过去唾液酸糖蛋白受体进行的肝细胞特异性递送，这对于肝脏疾病至关重要。其他偶联部分，包括胆固醇、脂肪酸、胆汁酸和细胞穿透肽，增强了细胞摄取并改善了药代动力学，从而将潜在的治疗应用扩展到癌症和代谢性疾病。值得注意的是，在八种获FDA批准的siRNA疗法中，有七种含有GalNAc修饰。

其他利用天然和生物响应材料的新型高级递送系统正在涌现。外泌体作为细胞衍生的囊泡，以其天然的通讯作用和跨越血脑屏障等生物屏障的能力而闻名，目前正被开发为中枢神经系统疾病的siRNA载体。与此同时，旨在响应pH变化、酶活性、氧化还原条件甚至光照等特定触发因素而释放siRNA的生物响应材料，正在实体瘤模型和胰腺癌中进行临床前评估。此外，RNAi海绵提供了一种新的RNAi治疗方法，通过将siRNA封装在多孔的海绵状结构中，与传统的siRNA递送方法相比，有望提高递送效率和稳定性。

总而言之，这些多样化的递送平台不仅改善了siRNA的稳定性、生物分布和细胞摄取，还将临床应用范围从肝脏和遗传性疾病扩展到了肿瘤学和中枢神经系统疾病。先进材料科学与分子靶向策略的结合，正在为下一代siRNA疗法铺平道路，为各类疾病领域提供更精准、更有效且更安全的治疗手段。

当今精准医疗中的 siRNA 疗法

siRNA 疗法在化学修饰和递送系统方面的进展，正推动着利用此类药物治疗多种疾病的研究不断深入。如图 3 所示，目前研究最广泛的靶点包括癌症和心血管疾病，但其他领域也备受关注：

• Cancer: Preclinical studies and early-phase clinical trials have explored targets like KRAS, VEGF, EGFR, HER2, and c-MYC in various cancers. These targets are key to tumor growth, angiogenesis and immune evasion. Early findings suggest that when these drivers are downregulated, there is a notable effect on tumor regression and metastasis. However, the heterogeneous nature of tumors and the complexity of the tumor microenvironment remain significant challenges, necessitating the development of advanced delivery systems such as tailored lipid nanoparticles or receptor-specific conjugates to ensure the siRNA reaches the intended cells effectively and safely. Recent studies have shown their additional potential in cancer treatment in combination with chemotherapy drugs or immune checkpoint inhibitors. ‍
• Cardiovascular disease: siRNA approaches have already reached a major milestone with the approval of drugs like inclisiran, which targets PCSK9 to robustly lower LDL cholesterol levels. Other targets such as ANGPTL3, APOB, and LPA are under investigation, with early clinical data suggesting that precise hepatic targeting can effectively modulate lipid profiles.  ‍
• Neurological and neurodegenerative conditions: The use of siRNAs to target proteins like APP, BACE1, tau, and α-synuclein offers promise for diseases such as Alzheimer’s, Parkinson’s, and ALS. Yet, the blood-brain barrier continues to present a challenging obstacle, prompting the exploration of direct delivery methods (e.g., intrathecal injections) or novel nanoparticle carriers to enhance central nervous system uptake. ‍
• Infectious diseases: siRNAs are being assessed for their ability to silence viral genes as seen in candidates targeting HBV transcripts or HIV regulatory proteins and to modulate host factors like ACE2 in the context of SARS-CoV-2. Although these strategies have shown encouraging reductions in viral load in early studies, rapid viral mutation and potential activation of innate immune responses pose ongoing challenges.  ‍
• Diabetes: The translation of siRNA therapeutics into clinical phases for diabetes is still emerging. However, several preclinical studies have underscored the potential of silencing targets such as PTP1B, TXNIP, and FOXO1 to enhance insulin signaling and preserve beta-cell function. The inherent complexity of metabolic regulation and the difficulty in achieving tissue-specific delivery of the siRNAs without off-target effects further complicate the journey toward clinical application. Other studies have used siRNA-mediated silencing approaches to study the role of important proteins like GLUT4, and GSK3B in insulin signaling.  

数百种药物候选物在上述疾病领域处于临床前和临床开发阶段，这凸显了 siRNA 研究的扩展（见图 5）。目前有四种药物处于 III 期临床开发阶段，分别针对动脉粥样硬化（诺和诺德/礼来）、亨廷顿舞蹈症（Ionis Pharmaceuticals/罗氏）、强直性肌营养不良（Avidity Biosciences）和乙型肝炎感染（Alnylam Pharmaceuticals/Vir Biotech）。心血管疾病、神经系统疾病和癌症是目前在研药物候选物数量最多的三大治疗领域。  

siRNA 疗法的前景

尽管肝脏仍是 siRNA 研究的主要靶点，但目前的研究正致力于设计针对大脑、肺部、肾脏和实体瘤等其他器官的递送系统。这涉及开发能够克服血脑屏障等生物屏障的新型配体和纳米颗粒制剂。

在肿瘤学领域，siRNA 策略旨在抑制关键致癌基因并对抗耐药性，早期研究已显现出令人期待的结果。脂质载体、聚合物载体和外泌体递送方法的进步，预计将提高组织靶向的精准度和效率。不断优化的化学修饰持续改善了 siRNA 的稳定性并降低了免疫反应，从而扩大了治疗窗口。

这些进展有望推动 siRNA 疗法在多种疾病中获得更广泛的批准和临床应用，为全球患者带来希望，并实现精准医疗的重要突破。