“卡脖子”的核酸药物的开发和应用

11月22日下午，南京大学生命科学学院陈熹教授为大家讲授《科学之光——物种起源与进化的媒介》一课，本次课程主题为“卡脖子”的核酸药物的开发和应用，主要讲述了核酸药物走到今天所经历的艰辛研发历程，以及未来的发展方向。

课程伊始，陈熹教授提到2020年9月11日习近平总书记在科学家座谈会的讲话一次讲话，讲话中提到：“我国面临的很多“卡脖子”技术问题，根子是基础理论研究跟不上，源头和底层的东西没有搞清楚。要发挥我国社会主义制度能够集中力量办大事的优势，优化配置优势资源，推动重要领域关键核心技术攻关。要组建一批国家实验室，形成我国实验室体系。要加大基础研究投入，在财政、金融、税收等方面给予必要政策支持。要创造有利于基础研究的良好科研生态，建立健全科学评价体系、激励机制，鼓励广大科研人员解放思想、大胆创新。”目前中美之间爆发的科技战，已经从半导体延伸到生物科技领域。而我国生物科技研发水平远低于西方发达国家，西方发达国家掌握了生化制药的先发优势，技术发展有着与参天大树类似的特征，即枝繁叶茂全靠“根”的养育。“根技术”特指那些能够衍生并支撑着一个或多个技术领域的颠覆性技术。最著名的“根”技术有：蒸汽机（成就了英国），半导体（成就了美国）等等。“根技术”一旦问世，就会“破土而出”，在短时间内生长出“根干产业”。陈熹教授讲到，我们唯一的出路是挖掘科技领域的“根”技术，开启新赛道，创造医疗领域万亿级的新市场。

接下来陈熹教授讲到基因治疗（gene therapy）。现在的疾病治疗策略多是以蛋白为靶点，但是蛋白结构复杂，难以发现和设计有效作用位点且蛋白易发生突变，容易产生耐药性等问题让以蛋白为靶点的药物难以克服。一般意义上的疾病治疗针对的是症状，是对于蛋白下手，而针对的疾病的根源——异常的基因本身，出现了“基因治疗”。基因治疗是指将外源正常基因导入靶细胞从而纠正或补偿由缺陷和异常基因所引起的疾病的生物医学技术。一般意义上的疾病治疗针对的是症状，而基因治疗针对的是疾病的根源——异常的基因本身。基因治疗是迄今为止人类开发的最复杂的“药物”，有望解决一些至今让医学界束手无策的难题

但基因治疗缺乏安全、精准、高效的递送系统。 腺相关病毒（aav）是目前基因治疗最为常用的病毒载体，2012年，ema（欧洲药品管理局）批准了首款基因治疗药物glybera（uniqure），这是一种携带人脂蛋白脂肪酶（lpl）基因的aav1载体，用于治疗脂蛋白脂肪酶缺乏引起的严重肌肉疾病，售价高达120万美元。相关产品的批准意味着，欧洲和美国的监管部门已经对基因疗法持肯定态度，这很大程度上取决于有效性和安全性的进一步提高。另一个比较火的基因治疗方法是“car-t疗法”，被誉为“基因魔剪”。自2011年一例患者在接受car-t 19治疗达到完全缓解后，已有数百名患者接受了car-t治疗，其中急性淋巴白血病和淋巴瘤达到了前所未有的缓解率，首个 car-t 细胞产品 kymriah 在2017年获fda批准上市且美国已将 car-t 疗法纳入医保，kymriah 获批第二个适应症——复发或难治性大b细胞淋巴瘤。

此外，基因治疗也带来了伦理争端。2015年4月中山大学黄军就团队利用不可能存活的三原核胚胎，发表了全球第一篇利用crispr技术编辑人类胚胎基因的论文，起初曾遭到国际生物医学界激烈反对。该事件推动了伦理学方面的辨析与讨论，促成了国际伦理制约机制的建立，中英美等国共同成立了“人类基因编辑：科学、医学和伦理委员会”。黄军就在客观上成为受益者，他的研究价值得到肯定，2015年底被nature杂志评为年度人物。而另外一个反面教材是贺建奎事件，免疫艾滋病基因编辑婴儿的诞生引发了巨大的轰动，人民日报评论：“潘多拉魔盒一旦打开，谁来收场？技术无罪，但失控的技术可能带来灾难”。陈熹教授也告诫大家，遵守伦理道德是做科研最基本的素质之一，道德的底线万万不可触碰。”

接下来陈熹教授提到2006年诺贝尔生理学或医学奖颁发给2位美国科学家：andrew z. fire和craig c. mello，以表彰其在rna干扰——sirna引发的基因沉默领域所做出的杰出贡献。编码蛋白质的基因组只占人类基因组的1.5%，而70%的人类基因组能够编码non-coding rna。在人类已知的20000多种蛋白中，只有约15%与疾病相关（潜在诊断标志物），约700种开发出了靶向分子（潜在治疗靶点），而sirna能够与mrna结合并使之降解，理论上能够治疗任何由基因表达异常导致的疾病。此后很长一段时间，sirna药物获得了广泛关注。但由于缺乏安全、精准、高效的递送系统，从2006年到2018年这数十年间，很多公司投入大把人力物力，均无法得到较好进展。直至2018年，alnylam公司产品nusinersen(spinraza，biogen)获批，成为rna药物发展的里程碑。nusinersen(spinraza，biogen)是fda批准的第一款外显子跳跃式寡核苷酸，用于治疗脊髓性肌萎缩症(sma)。截至2019年底的销售额为47亿美元。2019年2月28日，该药正式获得我国的国家药品监督管理局批准，售价达到70万/针，截止2020年10月，alnylam公司已有两种rna药物批，公司估值近400亿美元。这也反映出核酸药物的高费用问题。

新冠的到来让mrna进入大众的视野，mrna疫苗将rna在体外进行相关的修饰后传递至机体细胞内表达并产生蛋白抗原，从而导机体产生针对该抗原的免疫应答，进而扩大机体的免疫能力。mrna疫苗作为外源核酸，递送至体内后可以通过模式识别受体（pattern recognition receptor，prr）直接激活天然免疫；进一步促进人体树突状细胞（dendritic cell，dc）的成熟。成熟的dc进一步向人体的免疫系统递呈mrna表达的靶抗原，诱导机体产生特异的t细胞和b细胞免疫，对人体产生预期的免疫保护效应，相比传统疫苗，mrna疫苗生产工艺简单、开发速度快、无需细胞培养、成本低。相较与dna疫苗，mrna疫苗无需进入细胞核，没有整合至宿主基因组的风险，半衰期可以通过修饰进行调整。但是mrna疫苗也存在一些安全问题，陈熹教授提到这大多也是由于载体导致的，所以寻找一个合适的载体是极为重要的。前段时间，北大魏文胜团队利用体外环化技术合成了针对新冠病毒及其变异株rbd（receptor-binding domain）序列的环状mrna疫苗，该疫苗可以在小鼠体内诱导强烈的t细胞免疫应答。这表明，环状rna疫苗有希望成为一种替代性的、更为先进的mrna疫苗。

接着陈熹教授提到“me-too”和“me-better”模式，这两种模式是药品在现有基础上的模仿和改良，其开发更快,成本更低，但我们想要有“根技术”,就必须“me first”。陈熹教授所在团队所发现的“me first”——突破“rna在细胞外环境不稳定”的传统概念，发现mirna完整、稳定地存在于血清。并且发现血清中循环mirna在疾病状态下出现特异性变化，其组合能反映疾病的特征和发展阶段，根据这一研究结果，可以诊断一些无客观指标的疾病的诊断，如精神分裂症、抑郁症、早期胰腺癌等。

谈及核酸药物未来发展方向，陈熹教授团队前期研究发现，细胞可以包裹小rna（mirna和sirna）到外泌体并将外泌体分泌到细胞外；分泌的小rna随后会被受体细胞摄取，调节受体细胞中的基因表达。由于外泌体是细胞自身分泌的囊泡，与其他载体相比，其为纳米级颗粒，容易逃脱溶酶体系统的清除，且具有低免疫源性、低毒性的特点，是一种良好的小rna天然载体。由此研发了外泌体sirna自组装系统，以rna为靶点，基于分泌mirna体内循环机制，开发sirna药物体内递送系统，用于治疗egfr导致的肺癌、kras驱动的肺癌、肾癌、脑胶质瘤、溃疡性结肠炎、肥胖、2型糖尿病、亨廷顿舞蹈症、
帕金森症以及其他相关病症，这仍需进一步探索开发。

基础理论是“根”技术创新的动力源，未来，让我们共同期待核酸药物能够成为继化学小分子、抗体类之后的第三大类药物。也期待我们的“me first”!（图文：潘金梦）