反义寡核苷酸的作用机制及其在运动系统中的研究进展

杨建乐, 吴南

杨建乐, 吴南. 反义寡核苷酸的作用机制及其在运动系统中的研究进展[J]. 协和医学杂志, 2024, 15(4): 891-896. DOI: 10.12290/xhyxzz.2023-0656
引用本文: 杨建乐, 吴南. 反义寡核苷酸的作用机制及其在运动系统中的研究进展[J]. 协和医学杂志, 2024, 15(4): 891-896. DOI: 10.12290/xhyxzz.2023-0656
YANG Jianle, WU Nan. Mechanism of Action of Antisense Oligonucleotides and Their Research Progress in the Musculoskeletal System[J]. Medical Journal of Peking Union Medical College Hospital, 2024, 15(4): 891-896. DOI: 10.12290/xhyxzz.2023-0656
Citation: YANG Jianle, WU Nan. Mechanism of Action of Antisense Oligonucleotides and Their Research Progress in the Musculoskeletal System[J]. Medical Journal of Peking Union Medical College Hospital, 2024, 15(4): 891-896. DOI: 10.12290/xhyxzz.2023-0656

反义寡核苷酸的作用机制及其在运动系统中的研究进展

基金项目: 

中国医学科学院医学与健康科技创新工程 2021-I2M-1-051

中央高水平医院临床科研专项 2022-PUMCH-C-033

详细信息
    通讯作者:

    吴南,E-mail:dr.wunan@pumch.cn

  • 中图分类号: R681; R746

Mechanism of Action of Antisense Oligonucleotides and Their Research Progress in the Musculoskeletal System

Funds: 

CAMS Innovation Fund for Medical Sciences 2021-I2M-1-051

National High Level Hospital Clinical Research Funding 2022-PUMCH-C-033

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  • 摘要:

    反义寡核苷酸(antisense oligonucleotides,ASOs)是一类新型的小分子基因靶向药物,可与目的mRNA结合,ASOs以其与目标序列互补的碱基配对方式,对基因进行靶向调控。随着基因测序技术和分子合成技术的不断发展,ASOs在运动系统中的研究和应用进一步深入。本文阐述了ASOs在基因沉默和表达调控中的作用机制,以及其在基因治疗方面的应用前景。此外,还介绍了ASOs在运动系统疾病中的研究进展和应用情况,并分析此类药物目前所面临的问题,旨在深化医务人员对ASOs的认识,并为其在生物医学研究和临床中的推广应用提供有益参考。

    Abstract:

    Antisense oligonucleotides(ASOs) are a novel class of small molecule gene-targeted drugs that can bind with target mRNA. Through complementary base pairing with the target sequence, antisense oligonucleotides achieve targeted regulation of genes. With the continuous development of gene sequencing technology and molecular synthesis techniques, research and applications of ASOs in the musculoskeletal system have further advanced. This article reviews the mechanisms of ASOs in gene silencing and expression regulation, as well as their prospects in gene therapy. It also evaluates the research progress and applications of ASOs in musculoskeletal diseases and analyzes the urgent issues currently faced by this class of drugs. This comprehensive study aims to deepen our understanding of ASOs and provide valuable reference for their widespread application in biomedical research and clinical settings.

  • 一个世纪以来,小分子靶向药物的发展为医学带来了翻天覆地的改变。从最早合成的药物阿司匹林到如今的分子靶向药物,小分子药物及以蛋白质为治疗靶点的药物开发与研究取得了一系列显著成绩。从对基因层面的调控和编辑技术[1-2],到调节前体mRNA(pre-mRNA)或mRNA[3],再到对蛋白质的表达调控[4],研究人员在精准医学领域靶向治疗方面取得了快速发展。

    近年来,小分子药物研究进入了基因组学和蛋白质组学时代,高通量筛选、计算化学和结构生物学等技术的应用不断拓展了药物研发领域。个性化医疗和精准药物设计成为研究热点,旨在根据患者的遗传信息和分子特征,为其提供更精准的治疗方案。

    目前,能够在RNA层面进行细胞调控的方法主要包括RNA干扰技术(RNA interference,RNAi)和合成的反义寡核苷酸(antisense oligonucleotides,ASOs)技术[5]。本文主要阐述ASOs的作用机制及其在运动系统疾病治疗中的应用,以深化医务人员对ASOs的认识,并为其在生物医学研究和临床中的推广应用提供有益参考。

    ASOs是一类化学合成的单链或双链核苷酸分子,通常被设计为12~24个碱基,可通过碱基互补配对方式与特定RNA序列结合,因此具有精准靶向特性,可起到调控靶基因的作用[6]

    目前,ASOs已发展至第三代。第一代以硫代磷酸酯寡聚脱氧核糖核酸为代表,在这一类寡聚核苷酸中,主要是将磷酸二酯键中的非桥氧原子置换成硫原子,这种修饰增加了ASOs对核酸酶降解的抵抗力,进而使寡核酸稳定性增加,但仍使机体产生一定的促炎反应和副作用。第二代以硫代ASOs序列为核心,将核苷酸中核糖的2′羟基换成烷基修饰,进一步增加了ASOs对靶标结合的亲和力,抵抗了核酸酶降解,降低了促炎反应。第三代则是以吗啉代寡核苷酸(morpholino oligonucleotide,PMO)为代表,用啉环替换了常规寡核苷酸的核糖,在降低成本的同时,达到细胞内极高的活性和靶向性,抑制细胞的促炎反应[7]

    近年来,ASOs在人类疾病治疗中具有较为广泛的应用,如美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)已批准鞘内注射ASOs诺西那生钠(Nusinersen)治疗脊髓肌萎缩症(spinal muscular atrophy,SMA)[8],玻璃体内注射福米韦生(Fomivirsen)治疗巨细胞病毒性视网膜炎[9],吸入性ASOs药物IONIS-ENAC-2.5Rx治疗肺囊性纤维化[10]等。未来随着ASOs体内递送及副作用等问题的逐步解决,ASOs将迎来更广泛的应用。

    ASOs识别目标基因并与之结合,形成ASOs-RNA复合体,然后通过不同作用机制调节目标mRNA功能,最常见的作用机制包括:(1)核糖核酸酶H1依赖性降解(RNase-H1-mediated degradation)[11],即外源合成的ASOs通过与目标mRNA互补结合,形成ASOs-mRNA复合物,该复合物被内源性核酸酶RNase H1识别并降解,导致目标mRNA减少,该机制为基因表达抑制提供了有效手段。ASOs至少需拥有5个连续脱氧核苷酸残基,所形成的ASOs-RNA复合物才能被RNase H1识别并成为酶底物,当ASOs具有8~10个连续脱氧核苷酸残基时,可达到最佳酶活性。因此,促进RNase H1介导的靶向RNA降解的ASOs通常有一个8~10个连续脱氧核苷酸的核心区域。(2)非核糖核酸酶H1依赖性降解(Non-RNase-H1-mediated degradation)[6]。实际上,ASOs要实现RNA降解,除依赖RNase H1的介导外,还可通过另一种蛋白AGO2的介导,这种酶在siRNA调控细胞内mRNA降解中发挥至关重要的作用[12],但此处不再详细介绍ASOs通过AGO2进行靶基因调控的机制。除此之外,调节目标pre-mRNA的剪接模式(splicing modulation),从而改变目标RNA终极蛋白产物表达,其主要通过外显子跳跃(exon skipping)和外显子保留(exon inclusion)两种方式实现。此外,空间嵌段寡核苷酸(steric block oligonucleotides) 可通过与靶基因结合阻断mRNA进一步翻译,干扰蛋白合成功能。

    骨质疏松症是一种由多种原因导致的骨密度和骨质量下降,骨微结构破坏,造成骨脆性增加,从而易发生骨折的全身性骨病[13]。Notch通路在决定细胞命运及骨骼发育和骨重塑的调节中发挥关键作用,Notch2功能获得性突变可导致Hajdu-Cheney综合征,其特征为手脚肢端骨溶解,骨骼、牙齿和关节发育缺陷,引起明显的颅面和颅骨改变,并伴有严重的骨质疏松。研究人员成功构建出Notch2点突变的小鼠模型,并发现由于骨吸收增加,杂合的Notch2突变小鼠表现出严重的松质骨和皮质骨减少。将针对Notch2基因的ASOs经皮下注射入小鼠体内,发现这种ASOs可改善Notch2突变小鼠的松质性骨质减少症状,且经过ASOs处理的小鼠体内破骨细胞数量也显著减少[14]。因此,这种针对Notch2基因的ASOs成功改善了Hajdu-Cheney综合征小鼠模型中的骨质减少表型,为ASOs治疗骨质疏松症提供了可能性。

    骨关节炎是严重困扰我国中老年人的关节疾病,以关节软骨损害为主,最终发生关节软骨退变、纤维化、断裂、缺损及整个关节面损害,是老年人致残的主要原因[15]。研究人员应用包括人类样本和动物模型在内的各种实验模型,测试microRNA-181a-5p(miR-181a-5p)ASOs对关节软骨退化的影响,发现miR-181a-5p是参与腰椎小关节软骨破坏的关键介质,这种ASOs降低了软骨分解代谢和软骨细胞凋亡/细胞死亡标志物的表达。在小鼠膝骨关节炎模型中,关节内注射ASOs可减弱软骨破坏,并减少分解代谢标志物的表达。此外,针对人膝骨关节炎软骨细胞(体外)和软骨移植体(体外)的培养,进一步证明了ASOs对软骨的保护作用[16]。因此,该研究证实关节内注射ASOs可能成为未来骨关节炎治疗的一种全新选择。

    神经纤维瘤病是一种良性的周围神经疾病,属于常染色体显性遗传病,临床上将其分为1型神经纤维瘤病(type 1 neurofibromatosis,NF1)和NF2。其中,NF1的临床表现包括多发性神经纤维瘤、皮肤牛奶咖啡斑及脊柱侧凸等。该病是由于NF1基因发生致病性突变,导致Ras通路过度激活,进而引起下游PI3K/AKT/mTOR和RAF/MEK/ERK通路激活,最终造成细胞过度生长和增殖[17]

    针对NF1基因突变,研究人员拟应用ASOs引起外显子跳跃的机制,探索ASOs治疗该疾病的可能性。将基因组学和生物信息学联合进行分析,研究人员最终锁定了NF1基因的第17号外显子,并在体外实验证明了这种PMO类的ASOs能够恢复功能性神经纤维蛋白的表达。且体内实验研究发现,这种ASOs能够有效减少神经纤维瘤的生长。然而,在目前的研究中,仍出现小鼠行为改变和淋巴细胞过度增殖等并发症[18]。该研究虽未明确此种ASOs对小鼠脊柱侧凸表型的治疗效果,但仍为ASOs治疗脊柱侧凸等运动系统疾病提供了一定研究思路。

    抗肌萎缩蛋白Dystrophin是稳定肌肉细胞膜的重要部分,其重要功能是维持肌肉细胞的稳定性,使其在肌肉收缩过程中不被破坏。而杜氏肌营养不良症(Duchenne muscular dystrophy,DMD)患者由于编码抗肌萎缩蛋白的基因发生突变,从而导致抗肌萎缩蛋白缺失[19]。针对这种基因突变,ASOs药物可在转录过程中诱导突变位点邻近的外显子被跳跃,从而恢复mRNA的阅读框和后续的翻译过程。虽然这样产生的抗肌萎缩蛋白相较于正常蛋白短,但仍可保持部分功能,因此可恢复患者部分肌肉功能,减轻其症状和痛苦,并延缓疾病进展[20]

    目前,已被FDA批准用于治疗DMD的4种ASOs药物包括依特立生(Eteplirsen)、戈洛迪森(Golodirsen)、维特塞普索(Viltolarsen)和卡西莫森(Casimersen),均为PMO类ASOs药物。Eteplirsen针对Dystrophin基因79个外显子里的第51号外显子,并在mRNA合成的过程中跳过了51号外显子转录,从而在骨骼肌中生成较短但仍具有功能的抗肌萎缩蛋白;而Golodirsen和Viltolarsen主要针对第53号外显子;Casimersen则针对第45号外显子[21]。这些药物均可部分恢复抗肌萎缩蛋白的功能,且具有较好的临床疗效和安全性。在Eteplirsen药物的临床试验研究中,19例入组患者经治疗后,其中7例抗肌萎缩蛋白表达显著增加,肌肉样本的抗肌萎缩蛋白免疫荧光强度从8.9%增至16.4%(P=0.029)[22]。另一项关于Golodirsen药物的临床试验研究显示,采用Golodirsen治疗(30 mg/kg,每周1次)可使DMD患者的平均抗肌萎缩蛋白表达从0.095%上升至1.019%(P<0.001),用药至第48周时,抗肌萎缩蛋白表达比基线增加约16倍[23]

    脊髓性肌萎缩症(spinal muscular atrophy,SMA) 是由于运动神经元存活基因(SMN1)突变引起的SMN蛋白缺乏所致。该蛋白缺乏可引起脊髓前角细胞变性,出现进行性、对称性、肢体近端为主的弛缓性麻痹和肌萎缩,若累及呼吸肌,可导致患者死亡。在人类细胞中,还存在一个额外的SMN基因,被称为SMN2。高度同源的SMN1与SMN2各自含有9个外显子,二者仅有5个碱基的差别,然而由于SMN1与SMN2的7号外显子存在差异,导致后者7号外显子无法被有效翻译,且形成的蛋白大多数为无功能的SMN蛋白[24]。因此,增加SMN2表达具有功能的SMN蛋白,成为该疾病治疗的突破口。

    Nusinersen是全球首个SMA精准靶向治疗药物,可增强7号外显子的剪接能力,以增加SMN蛋白的合成,使SMN2基因的SMN蛋白完全翻译。针对SMA(n=110) 的临床试验研究证实,在73例接受Nusinersen治疗的患者中,该药物显著改善了37例患者的运动系统功能,而对照组(n=37)均无明显改善[8]。2016年,FDA批准Nusinersen用于治疗SMA,随后在全球多个国家获批上市。

    肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis,ALS)是一种神经系统退行性疾病,其特征为上运动神经元和脊髓前角下运动神经元进行性退化,导致肌肉萎缩、无力和运动障碍。ALS可能与多种因素有关,包括遗传因素,其中最常见的遗传突变与超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1, SOD1)基因相关。该突变导致SOD1蛋白质功能异常,引发神经细胞的氧化应激和毒性聚集,最终导致神经元损伤和死亡。除SOD1基因外,9号染色体开放阅读框72(chromosome 9 open reading frame 72,C9ORF72)、肉瘤融合基因(fused in sarcoma,FUS)、反式激活反应-DNA-结合蛋白(transactive response DNA binding protein,TARDBP) 等的突变是ALS常见的其他基因突变[25]。目前,针对上述各致病基因的ASOs治疗临床试验均已有序开展,其中靶向SOD1基因的ASOs研究进展比较迅速,FDA已同意加速批准用于治疗SOD1突变所致ALS的ASOs疗法Qalsody(Tofersen)上市。根据Ⅱ期临床试验结果,与安慰剂对照组相比,使用100 mg Tofersen可显著降低脑脊液中SOD1和血浆中神经元损伤标志物“神经丝轻链”(neurofilament light,NfL)的浓度。然而,经28周治疗后,患者的ALS功能评分(ALS functional rating scale-revised,ALSFRS-R)、运动功能和肺功能均未见改善[26]。目前针对SOD1的ASOs主要作用于SOD1基因,而无法准确地选择性作用于SOD1突变基因,这可能导致整体SOD1水平下降,引发功能丧失(loss-of-function,LOF)突变,从而可能诱发其他疾病的发生。目前,针对ALS的ASOs研究尚处于初始阶段,未来仍需关注该领域的研究进展。

    根据上述ASOs在骨骼肌肉系统疾病中的研究进展和应用可见,目前该领域ASOs的治疗研究主要集中于肌肉疾病,造成该现象的原因可能为:(1)肌肉疾病的遗传基础。许多肌肉疾病,包括上文提及的DMD和SMA,均有明确的遗传基础。这些病症通常是由特定的基因突变所致,导致功能蛋白缺失或功能不全,进而引发疾病,而这些明确的基因突变则是ASOs发挥靶向作用的基础。(2)肌肉组织的可及性。相较于其他组织(如中枢神经系统),骨骼肌肉组织对于药物的可及性更高,通过系统性或局部给药方式,ASOs更易到达并在肌肉组织中发挥作用。这也意味着针对肌肉疾病的药物具有更广泛的应用。(3)高需求与研究潜力。肌肉疾病通常缺乏有效的治疗方法,且对患者的生活质量影响极大。ASOs提供了一种潜在的治疗策略,可针对性地调节疾病相关基因的表达,为这些患者带来希望。因此,在肌肉疾病领域,相信未来ASOs将发挥更大作用,并产生巨大的社会价值。而在其他疾病领域,目前关于ASOs的治疗尚处于初始阶段,但ASOs对于治疗其他骨骼肌肉系统疾病仍具有潜在价值。

    虽然在过去几年,ASOs药物取得了快速发展,但其在不同疾病中的应用仍存在问题亟待解决。尽管ASOs具有精准靶向的特性,但其应用仍可能引发一些副作用。其中,免疫反应和细胞毒性是目前需重点关注和解决的问题。如2019年FDA批准用于治疗DMD的PMO类药物戈迪洛森(Golodirsen),据文献报道,患者用药后可出现超敏反应和肾毒性[23]。一些寡核苷酸可诱发患者注射部位及全身出现炎症反应,包括注射部位皮肤炎症反应,以及发热、寒战和僵直等[27]。针对这些副作用,需进一步开展深入的安全性评估和研究。

    ASOs在体内的稳定性和持久性直接关系其治疗效果的长期维持。研究人员需探索新的材料和技术,以提高ASOs在体内的稳定性,确保药物浓度能够在目标组织中维持足够的时间。在运动系统中,实现ASOs的精确递送是一个极具挑战性的问题。有效的递送系统对于ASOs在治疗运动系统疾病中的成功应用至关重要。当前的研究重点之一,即是如何实现对骨骼、关节等特定组织的精准递送。Nusinersen之所以能够获得巨大成功,是因为其可通过反复鞘内注射给药,维持中枢神经系统的血药浓度,发挥持续疗效。而对于采用静脉输注方式给药治疗DMD的Golodirsen等药物,在进入人体后,其迅速被肾脏代谢排出,最终仅有少部分药物作用于肌肉,这是治疗DMD的ASOs药物临床效果无法达到Nusinersen等药物水平的重要原因之一。

    目前,以N-乙酰化的半乳糖胺(GalNAc)、脂质纳米颗粒(lipid nanoparticle,LNP)和外泌体等为代表的递送系统应用较为广泛[28]。其中,GalNAc是当前最常用的小核酸药物递送系统,其可结合抗去唾液酸糖蛋白受体(asialoglycoprotein receptor, ASGPR),通过内吞作用进入细胞,递送效果较好[29]。但如何为ASOs药物开发新型、高效的药物递送系统,目前仍面临巨大挑战。ASOs需进入细胞内,并到达细胞核才能发挥作用,但ASOs的大分子量和负电荷特性使其穿透细胞膜非常困难,因此导致细胞内递送效率低。此外,由于组织分布和渗透性差异,将ASOs有效递送至疾病相关特定组织或细胞是一个重大挑战,尤其对于一些难以渗透的组织,如大脑等。针对这些挑战,科学家们正在研究多种策略,包括开发新型化学修饰方法以提高稳定性,设计靶向递送系统以增强细胞内递送效率和组织特异性,以及利用纳米技术和病毒载体等创新途径提高递送效率和降低免疫原性[30]。尽管存在挑战,但ASOs作为一种新型治疗手段的潜力巨大,未来有望逐步克服障碍,并最终应用于临床。

    随着分子遗传学、药理学、生物信息学研究的不断深入,以及化学合成、加工技术的不断成熟,ASOs药物已在神经肌肉疾病、肺囊性纤维化和肿瘤等多种疾病中广泛应用,是目前最具应用前景的基因靶向治疗药物之一。深入探讨ASOs的作用机制、应用及面临的挑战,有助于更清晰地认识其在运动系统疾病治疗中的应用前景。增加ASOs的靶向结合效率,提高ASOs对细胞内核酸酶降解作用的抵抗性,改善ASOs药物动力学特性,降低其在人体内的副作用和促炎症反应,以及增强其对靶器官的特异性递送,仍是目前亟待解决的问题。未来研究人员需共同努力,充分发挥生物信息学的优势,进一步解决递送ASOs面临的各方面问题,以更好地实现ASOs的临床应用,为患者提供更精准、有效的治疗方案。随着科技的不断发展,ASOs有望成为运动系统疾病治疗的创新性工具,为医学领域带来更多希望与突破。

    作者贡献:杨建乐负责论文初稿撰写;吴南负责论文构思与审校。
    利益冲突:所有作者均声明不存在利益冲突
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-26
  • 录用日期:  2024-01-14
  • 网络出版日期:  2024-03-02
  • 发布日期:  2024-03-01
  • 刊出日期:  2024-07-29

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