核苷酸的作用和缺点（小小的核苷酸如何经过修饰）

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近年来，核酸药物获批上市的速度呈加速趋势，多款有潜力成为重磅药物的核酸药物公布了临床数据，覆盖了心脏与代谢性疾病、肝脏疾病以及多种罕见病等领域，核酸药物引发了较多的关注，有望成为继小分子化药和抗体药物后的第三大类型药物。在行研| 核酸药物行业研究（一）——概况及发展过程中，小编综述了核酸药物的分类及发展历程，本篇推文接上篇继续分享核酸药物开发的关键技术。

化学修饰技术可增强核酸药物的稳定性和降低免疫原性。由于核酸的不稳定性以及人体内存在很多核酸酶，外源的核酸进入人体后很容易被降解，且易通过肾脏清除，半衰期较短；同时外源的核酸分子具有免疫原性，会引起人体的免疫反应等。研究证明，对核苷酸进行的化学修饰可改善上述问题，包括对核糖、磷酸骨架、碱基以及核酸链末端等。

1. 磷酸骨架修饰

磷酸骨架最常用的化学修饰是硫代磷酸，即将核苷酸中磷酸骨架中的一个非桥氧用硫进行替代（PS改造），PS改造基本不影响核酸药物的活性，但可以抵抗核酸酶的降解，而且该改造可增强其与血浆蛋白的结合能力，降低肾脏清除速率，提高半衰期。经过PS修饰还会增加小核酸与细胞内蛋白质（例如，核仁素）的相互作用，促进其在细胞核中的积累，利于细胞核内靶点的作用。

在PS键中引入额外的硫原子会导致在每个修饰的磷原子上产生手性中心，并形成两种可能的立体异构形式（分别指定为Sp和Rp），不同手性的化合物活性可能大有差异，目前批准或正在开发的寡核苷酸药物的外消旋混合物含有许多低活性的立体异构体，从而降低了整体混合物的整体效能，鉴定活性最高的立体异构体可能成为寡核苷酸药物开发的重要手段使低剂量和更有效的化合物成为可能。

PS 是第一代 ASO 药物中常见的化学修饰，现在依然经常在核酸药物中使用。但经过 PS 改造后，核酸药物与互补核苷酸链的亲和力会变差，因此需要后续的化学修饰来改善。

2. 碱基改造

虽然核酸药物对碱基改造的耐受性较差，但对碱基的改造也在尝试中，如胞嘧啶甲基化可提高其解链温度，已被应用在 ASO 药物的设计之中（Ionis Pharmaceuticals在研药物），无碱基核苷酸（abasic）已被用于消除miRNA样沉默。

3. 核酸链末端修饰

siRNA 5′末端的磷酸化对于活性是必不可少的，因为该基团在AGO2蛋白（RNA诱导沉默复合体的核心成分，具有核糖核酸内切酶活性，可通过促进微RNA的成熟并调节其生物合成及功能，进而抑制靶基因的表达，在多种病理生理过程中起关键性作用）的结构域中有重要的作用，细胞磷酸酶会降解末端磷酸基团，使得siRNA效力降低。

加入5′-（E）-乙烯基膦酸酯修饰起到了磷酸盐模拟物的作用，可以防止 5′末端被核酸外切酶的降解和增强体内沉默。类似地，末端反向的abasic核糖核苷酸已被用于阻断核酸外切酶活性。3’端添加反式胸苷（inverted thymidine），或者在末端添加软脂酸或偶联芳香化合物也可以避免核苷酸链被核酸外切酶降解。

4. 核糖修饰

第二代的化学修饰主要集中在核糖的结构中，对核糖结构中 2 位的羟基/氢进行改造。2’-O-甲基（2’-OMe），2’-O-甲氧基乙基（2’-MOE）和2’-氟（2’-F）是最常用的2’位羟基/氢的取代基。这些修饰可以增加寡核苷酸核酸酶的抗性，从而提高血浆中的稳定性，增加组织的半衰期，延长药物作用时间。此外，这些修饰还能增强了寡核苷酸对互补RNA的结合亲和力，2’-OMe修饰还可以消除ASOs、siRNAs和CRISPR guide RNAs诱导的免疫应答。

5. 核糖五元环改造

对核糖的五元环进行改造被称为第三代的化学修饰，包括桥联核酸锁核酸BNAs、肽核酸PNA、磷酰二胺吗啉代寡核苷酸PMO，这些改造可以进一步增强核酸药物对核酸酶的抵抗、提高亲和力和特异性等。

由于 PNA和 PMO 为电荷中性，其与血浆蛋白结合能力较弱，因此容易被清除，半衰期较短，但其可以与一些基团共价结合以提高核酸药物进入细胞的效率，包括脂类、肽类、适配体、抗体以及 GalNAc 等。

1）桥连核酸（BNAs）

核糖糖的折叠通过2'和4'碳原子之间的桥连被限制在3’-endo构象中而形成桥连核酸（BNAs），包括锁核酸（LNA）、受2'，4'约束的2'-O-乙基桥联核酸（cEt）、2'-O，4'-C乙烯桥连核酸（ENA），桥连核酸增强了核酸酶的稳定性，增强了寡核苷酸对靶RNA的亲和力。

通常对于锁核酸，每个修饰核苷酸的解链温度提高3-8℃，已有公司将桥连核酸用于改善与靶标的结合，也已用于空间位阻ASOs中，例如，Miravirsen（来自丹麦制药商Santaris，后被罗氏收购，用于治疗乙肝病毒的小核酸药物）和Cobomarsen（miRagen公司研发，靶向miR-155的寡核苷酸抑制剂,拟开发治疗皮肤T细胞淋巴瘤）都用到了LNA修饰。

2）磷酰二胺吗啉代寡核苷酸（PMO）

核酸的五元核糖杂环被六元吗啉环取代开发出与天然核酸结构大不相同的磷酰二胺吗啉代寡核苷酸（PMO）也是常用的改造方法。迄今为止，FDA已经批准了两种PMO药物eteplirsen和golodirsen，它们分别靶向肌营养不良蛋白mRNA的外显子 51和53，治疗杜氏肌营养不良症（遗传性肌肉萎缩病），Sarepta公司也在用该修饰方法进一步开发基于靶向肌营养不良蛋白外显子的ASO产品。

3）肽核酸（PNA）

肽核酸（PNA）是用伪肽聚合物骨架替代了DNA/RNA的磷酸核糖骨架生成的核酸模拟物，PNA为不带电荷的核酸分子，因此它们可以与带电荷的促递送基团（例如细胞膜穿透肽CPPs）共价缀合。但是，PNA与血浆蛋白的相互作用极小，这意味着它们可通过尿排泄迅速清除。

还有一种被称为tricyclo-DNA (tcDNA)的限制型DNA类似物，可将RNA靶标-寡核苷酸双链体的稳定性提高2.4℃。而且已有实验显示，系统给药tcDNA 的ASOs在大脑中表现出活性，表明这些分子具有跨越血脑屏障（BBB）传递寡核苷酸的能力。

参考资料：

【1】中金公司-医药生物行业主题研究：核酸药物，时代已至

【2】广发证券-医药生物行业生物药前沿研究系列之RNA靶向药物：后单抗时代新浪潮

【3】Advances inoligonucleotide drug delivery. Nat RevDrug Discov. 2020 Oct; 19(10):673-694.

【4】Opportunities forInnovation: Building on the success of lipid nanoparticle vaccines. Curr Opin Colloid Interface Sci. 2021May 29; 101468.

【5】Lipid Nanoparticles Enabling Gene Therapies: From Concepts toClinical Utility. Nucleic Acid Ther. 2018 Jun; 28(3):146-157.

【6】各公司官网

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