基于RNA的疫苗是COVID-19大流行中的英雄，它們創(chuàng)下了歷史上最快疫苗開發(fā)時(shí)間的記錄，從開發(fā)到獲FDA批準(zhǔn)上市僅僅用時(shí)一年時(shí)間。
而最近，mRNA技術(shù)更是獲得了諾貝爾獎(jiǎng)的認(rèn)可，Katalin Karikó 和 Drew Weissman 因發(fā)現(xiàn)了核苷堿基修飾，從而開發(fā)出了有效的mRNA疫苗來(lái)對(duì)抗COVID-19，而獲得了2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
我們很早就知道，RNA技術(shù)有一個(gè)關(guān)鍵的缺陷——RNA通常以線性形式存在，而這種形式的mRNA的壽命很短。再幾小時(shí)內(nèi)，細(xì)胞內(nèi)的核酸酶就會(huì)把他們降解掉。RNA這種轉(zhuǎn)瞬即逝的性質(zhì)對(duì)用作疫苗來(lái)說(shuō)并不是個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)樗恍枰芏痰臅r(shí)間來(lái)編碼出蛋白質(zhì)，就能引發(fā)免疫反應(yīng)。
但是，對(duì)于大多數(shù)治療應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最好是能讓RNA留存的時(shí)間更長(zhǎng)。而這是環(huán)狀RNA（circRNA）的一個(gè)優(yōu)勢(shì)——其共價(jià)閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)可以保護(hù)自身免受核酸酶的降解，從而具有更好的穩(wěn)定性和更長(zhǎng)的壽命。理論上，即使在低劑量水平上，環(huán)狀RNA也能增治療潛力。
環(huán)狀RNA的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展
1976年，環(huán)狀RNA（circRNA）首次被發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是細(xì)胞內(nèi)mRNA剪接錯(cuò)誤帶來(lái)的副產(chǎn)物。2013年，Nature 期刊同期發(fā)表兩篇環(huán)狀RNA研究論文，指出環(huán)狀RNA是一類具有調(diào)控作用的非編碼RNA，通過(guò)作為miRNA的海綿（sponge）來(lái)調(diào)控其他基因表達(dá)。這讓沉寂30多年的環(huán)狀RNA一鳴驚人，成為新一代明星分子，并陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞分化、組織穩(wěn)態(tài)、疾病發(fā)展，以及免疫代謝中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。
2018年7月，是環(huán)狀RNA發(fā)展史上的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，麻省理工學(xué)院（MIT）的 Daniel Anderson 等人在 Nature Communications 期刊發(fā)表論文，首次證實(shí)工程化的環(huán)狀RNA可在真核細(xì)胞中穩(wěn)定、高效表達(dá)蛋白，開創(chuàng)了外源環(huán)狀RNA在真核細(xì)胞中表達(dá)蛋白的新應(yīng)用，也證明了環(huán)狀RNA是線性mRNA的有效替代品。
環(huán)狀RNA創(chuàng)業(yè)熱潮
基于上述研究，Daniel Anderson 創(chuàng)立了世界首家利用環(huán)狀RNA開發(fā)新療法的公司 ——Orna Therapeutics。該公司的核心技術(shù)在于其開發(fā)RNA環(huán)化技術(shù)，他們實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)環(huán)狀RNA構(gòu)建，將編碼杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良（DMD）所缺乏的肌營(yíng)養(yǎng)不良蛋白（Dystrophin）的mRNA實(shí)現(xiàn)環(huán)化，該mRNA長(zhǎng)達(dá)12000個(gè)核苷酸。
但 Orna 并非唯一一家致力于開發(fā)環(huán)化技術(shù)的初創(chuàng)公司，還有一些公司正在采用不同的方法來(lái)構(gòu)建環(huán)狀RNA。例如，Torque Bio公司是將產(chǎn)生環(huán)狀RNA的指令放到病毒中，讓其細(xì)胞內(nèi)部剪接產(chǎn)生環(huán)狀RNA。Chimera Therapeutics 公司則使用基因工程細(xì)菌來(lái)生成環(huán)狀RNA。
此外，還有兩家來(lái)自中國(guó)的初創(chuàng)公司，環(huán)碼生物和科銳邁德，這兩家公司去年分別在預(yù)印本發(fā)表論文，開發(fā)了新型RNA環(huán)化技術(shù)。
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目前，已有十幾家工程化環(huán)狀RNA公司創(chuàng)立，這些公司籌集了超過(guò)10億美元的融資。其中最受關(guān)注的當(dāng)屬Flagship孵化的 Laronde，該公司已融資近5億美元。此外，一些大型制藥企業(yè)也開始涉足環(huán)狀RNA技術(shù)。他們相信，線性RNA能做的，環(huán)狀RNA也能做，甚至能做的更好。
環(huán)狀RNA的優(yōu)勢(shì)與進(jìn)展
談及環(huán)狀RNA的優(yōu)勢(shì)，斯坦福大學(xué)的張?jiān)?/strong>（Howard Chang）認(rèn)為，只需要一次注射，你就能得到足夠耐用的蛋白質(zhì)。
2022年7月，張?jiān)?/strong>團(tuán)隊(duì)在 Nature Biotechnology 期刊發(fā)表論文，該研究通過(guò)多處優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功環(huán)狀RNA翻譯表達(dá)的蛋白質(zhì)產(chǎn)量提高了數(shù)百倍，可在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效且持久的蛋白質(zhì)生產(chǎn)。
之后，張?jiān)?/strong>與mRNA技術(shù)先驅(qū)、2023年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主Drew Weissman等人創(chuàng)立了一家名為 Orbital Therapeutics 的公司，該公司在今年上半年完成了高達(dá)2.7億美元的A輪融資。
環(huán)狀RNA技術(shù)的支持者預(yù)計(jì)，環(huán)狀RNA將成為制藥行業(yè)的首選RNA平臺(tái)，并可能開啟下一代疫苗、罕見疾病療法，以及抗癌藥等產(chǎn)品。
將環(huán)狀RNA開發(fā)為療法時(shí)，我們需要去除成環(huán)過(guò)程中的額外序列，從而避免引起不必要的免疫反應(yīng)。中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心的陳玲玲研究員認(rèn)為，這其實(shí)取決于構(gòu)建環(huán)狀RNA的具體方式。她于2021年11月在 Molecular Cell 期刊發(fā)表的研究顯示，在構(gòu)建環(huán)狀RNA時(shí)，自剪接基序留下的序列會(huì)扭曲RNA折疊，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不規(guī)則的環(huán)形結(jié)構(gòu)，從而引發(fā)免疫反應(yīng)。
但在某些情況下，免疫反應(yīng)又是可取的。
2022年3月，北京大學(xué)魏文勝團(tuán)隊(duì)在 Cell 期刊發(fā)表論文，該研究在小鼠和猴子上證實(shí)，與線性mRNA疫苗相比，環(huán)狀RNA疫苗誘導(dǎo)產(chǎn)生了更多的中和抗體，以及更有效的T細(xì)胞反應(yīng)。此外，環(huán)狀RNA在環(huán)境溫度下比線性mRNA更穩(wěn)定，因此，基于環(huán)狀RNA的疫苗可以在沒(méi)有冷鏈的情況下儲(chǔ)存和運(yùn)輸。
魏文勝教授創(chuàng)立了圓因生物，且已開始環(huán)狀RNA新冠疫苗的人體實(shí)驗(yàn)，這也是首次在人體中測(cè)試合成的環(huán)狀RNA藥物。而年可能會(huì)有其他一些基于環(huán)狀RNA的藥物進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)，包括科銳邁德的一種癌癥療法，該療法使用環(huán)狀RNA編碼免疫刺激分子——白細(xì)胞介素-12（IL-12）。
Orna 公司準(zhǔn)備在2024年開始一項(xiàng)環(huán)狀RNA療法的臨床試驗(yàn)，這款環(huán)狀RNA療法可以重新編程免疫細(xì)胞來(lái)攻擊血癌。在今年5月的美國(guó)細(xì)胞基因治療行業(yè)會(huì)議（ASGCT）上，Orna 的科學(xué)家們展示了臨床前研究結(jié)果，結(jié)果顯示，注射低劑量的LNP遞送的環(huán)狀RNA到小鼠體內(nèi)，即可再體內(nèi)原位重編程T細(xì)胞，根除白血病小鼠模型的腫瘤，而不需要任何復(fù)雜的細(xì)胞工程或高強(qiáng)度的預(yù)備藥物方案。
合成的環(huán)狀RNA不僅可以編碼治療性蛋白質(zhì)。當(dāng)它們折疊成特定形狀時(shí)，這些環(huán)狀RNA還可以像抗體一樣直接與目標(biāo)結(jié)合，作為一種被稱為適體（aptamer）的藥物。它們可以捕獲和隔離不同種類的調(diào)節(jié)分子，有效地將其從細(xì)胞環(huán)境中清除。它們還可以作為“反義因子”與基因轉(zhuǎn)錄物（mRNA）結(jié)合，阻斷或改變其表達(dá)。此外，它們還可以作為RNA編輯應(yīng)用的指導(dǎo)分子，將特定的酶導(dǎo)向需要糾正的突變基因轉(zhuǎn)錄本。各個(gè)初創(chuàng)公司正在積極探索這些應(yīng)用。
人工智能助力環(huán)狀RNA研究
2023年5月，百度美國(guó)研究院黃亮、張亮（現(xiàn)為中國(guó)藥科大學(xué)教授），聯(lián)合斯微生物，在國(guó)際頂 尖學(xué)術(shù)期刊 Nature 發(fā)表論文。通過(guò)人工智能（AI）工具來(lái)優(yōu)化mRNA疫苗序列，從而幫助創(chuàng)造更有效、更穩(wěn)定的mRNA。
這項(xiàng)研究不僅為mRNA疫苗提供了一種及時(shí)和有前途的工具，而且還為mRNA療法提供了巨大的潛力，有望徹底改變醫(yī)療保健現(xiàn)狀。該研究開發(fā)的線性設(shè)計(jì)工具——LinearDesign，可以優(yōu)化編碼所有治療性蛋白的mRNA，包括單克隆抗體和抗癌藥物。
2023年7月，團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本 bioRxiv 發(fā)表論文，進(jìn)一步開發(fā)出了用于環(huán)狀RNA結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與序列設(shè)計(jì)算法平臺(tái)——circDesign。
研究團(tuán)隊(duì)將circDesign算法應(yīng)用于基于環(huán)狀RNA的狂犬病疫苗和帶狀皰疹疫苗的序列優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在小鼠模型中增強(qiáng)了環(huán)狀RNA的序列穩(wěn)定性、蛋白翻譯效率和免疫原性，成功驗(yàn)證了circDesign平臺(tái)在環(huán)狀RNA序列設(shè)計(jì)優(yōu)化上的有效性。
據(jù)悉，這是國(guó)際上首 個(gè)通過(guò)人工智能算法優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)狀RNA的案例，有望簡(jiǎn)化環(huán)狀RNA的序列優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高環(huán)化效率、穩(wěn)定性和蛋白翻譯水平。
circDesign算法開發(fā)人、LinearDesign共同一作、中國(guó)藥科大學(xué)張亮教授表示，相比線性RNA，針對(duì)環(huán)狀RNA的序列設(shè)計(jì)需要考慮的因素更多，目前團(tuán)隊(duì)正在積極探索針對(duì)不同RNA平臺(tái)的設(shè)計(jì)算法，希望人工智能技術(shù)能夠加速RNA疫苗和藥物的開發(fā)。
環(huán)狀RNA面臨的問(wèn)題
環(huán)狀RNA領(lǐng)域不斷取得新進(jìn)展，但隨著該領(lǐng)域的發(fā)展，也不斷暴露出一些問(wèn)題。
今年6月份，環(huán)狀RNA領(lǐng)域融資最多的公司——Laronde，其核心研究項(xiàng)目——使用環(huán)狀RNA表達(dá)GLP-1用于減肥，被曝光涉嫌數(shù)據(jù)造假。這一事件也引起了人們對(duì)于對(duì)于環(huán)狀RNA潛力的懷疑。
一家基于合成生物學(xué)的mRNA療法開發(fā)公司 Strand Therapeutics，他們也曾開發(fā)基于環(huán)狀RNA的療法，但該公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO Jake Becraft 博士表示：環(huán)狀RNA就是垃圾！開發(fā)基于環(huán)狀RNA藥物或療法將會(huì)面臨的難題數(shù)量難以置信，而人們通常忽略了這一點(diǎn)。
基于環(huán)狀RNA的藥物的首次人體試驗(yàn)已于今年8月啟動(dòng)。但環(huán)狀RNA距離開啟一場(chǎng)藥物開發(fā)的革命，或?qū)崿F(xiàn) Laronde 公司所做的承諾——到本世紀(jì)末開發(fā)100款基于環(huán)狀RNA的新藥項(xiàng)目，還有很長(zhǎng)的路要走。環(huán)狀RNA的優(yōu)勢(shì)是否會(huì)使其勝過(guò)其它的持久治療方法，例如傳統(tǒng)的基因療法，以及新興的基因編輯療法，仍然是一個(gè)正在進(jìn)行的調(diào)查和科學(xué)探究領(lǐng)域。
但 Alexander Wesselhoeft 仍看好環(huán)狀RNA，他是2018年這篇開創(chuàng)了外源環(huán)狀RNA在真核細(xì)胞中表達(dá)蛋白新應(yīng)用的論文的第一作者，也是 Orna Therapeutics 公司的聯(lián)合創(chuàng)始人，他現(xiàn)在是麻省總醫(yī)院布里格姆基因和細(xì)胞治療研究所RNA治療主任。他認(rèn)為，盡管線性mRNA疫苗取得了巨大成功，但環(huán)狀RNA是未來(lái)的發(fā)展方向，將是RNA治療技術(shù)的首選。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/d41586-023-03058-7
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