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突破基因治療困境的希望之星:球型核酸 (上)

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基因治療的契機與困境

基因治療的主要目標,就是利用基因編輯工具 (如:CRISPR) 直接修改基因序列,或是促進或抑制基因的轉錄或轉譯過程,讓身體適量表現可發揮正常功能的蛋白質。在 CRISPR 崛起之前,大部分的基因治療研究都集中在基因表現的調控,像是透過反義寡核苷酸 (antisense oligonucleotides,ASOs) 在細胞質與目標 mRNA 互補結合以妨礙後續轉譯 [1],或促使核醣核酸酶 H (RNase H) 切斷 RNA-DNA 複體而抑制 DNA 的複製或修復 [2]。另一種策略則是仿照 RNA 干擾路徑 (RNA interference (RNAi) pathway) 設計小干擾 RNA (siRNA) 或微小 RNA (microRNA) ,形成 RNA 誘導靜默複合體 (RNA-induced silencing complex,RISC) 來分解目標 mRNA [3]。而即使現在 CRISPR 技術日益成熟,上述這些基因調控技術仍有很大的發揮空間,因為並非所有基因相關疾病都與錯誤的基因序列相關,有些疾病是與基因過度表現相關 (如:特定癌症),有些則是與基因表現不足相關 (如:糖尿病)。不過實際上要是直接打入未經處理的核酸片段,往往會因被腎臟快速排除、被血中核酸酵素分解、誘發免疫反應、以及不易通過細胞膜等因素而導致組織和細胞吸收效率不佳 [4-6]。故為克服上述問題,科學家陸續發展出各種攜帶寡核苷酸的方式,像是 polymers/polyplexes [7、8]、dendrimers [9]、或脂質奈米顆粒 [10] 等。而在眾多嘗試中, 球型核酸因能突破許多限制而受到青睞,並在近期首度展開 Phase I 臨床試驗。

球型核酸的構造與特性

球型核酸的基本構造包含一奈米微粒核心,與附著其上、具特殊排列和特定功能的寡核苷酸外殼。內外兩構造隨需求可進行各種調整,常見的外圍寡核苷酸單元有 DNA、siRNA、microRNA、胜肽核酸 (peptide nucleic acid,PNA)、或是鎖核酸 (locked nucleic acid,LNA);核心則包括金、銀、氧化鐵、量子點 (quantum dot)、鉑、與鈀等金屬質的微粒,或非金屬質的二氧化矽和脂質體,甚至可能只是外側寡核苷酸交錯連接而內部呈現中空的型式。球型核酸的功能主要取決於外圍眾多的寡核苷酸,例如在脂質體核心外接上 siRNA,球型核酸進入細胞後便能形成 RISC 來抑制特定基因表現。而由於線狀 DNA 或 RNA 在體內極不穩定,因此以往得設計病毒或非病毒載體將其送入目標組織,但滲透率、衍生的毒性、以及容易觸發免疫反應等缺點常常使療效與安全性大打折扣。不過球型核酸因外側的寡核苷酸可和細胞膜 A 型清道夫受體 (class A scavenger receptors,SR-A) 結合而引發胞吞作用 [11],因此能夠進入幾乎所有的細胞,且其誘發的免疫反應程度約為傳統正電載體的 4% [12],更能夠穩定存在於體內發揮作用。但這裡必須特別注意的是,球型核酸雖由於滲透細胞效率良好且本質穩定而極具應用潛力,卻也因容易廣泛進入正常組織而可能造成其他不良影響,這在後續應用上絕對是得優先考慮的問題。

球型核酸示意圖,來源:http://www.technology.org/2014/02/07/2013-international-science-engineering-visualization-challenge-winners-named/spherical-nucleic-acids-2/

球型核酸示意圖,來源:http://www.technology.org/2014/02/07/2013-international-science-engineering-visualization-challenge-winners-named/spherical-nucleic-acids-2/

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球型核酸的臨床研究與應用

干擾基因轉錄或轉譯的核酸療法可用於治療癌症、遺傳性疾病、心臟疾病、發炎反應、以及病毒感染等等 [13],但傳統分子結構因面臨諸多限制,導致過去遲遲未有顯著進展。相較之下,球型核酸的外側寡核苷酸在設計上更為自由,理論上在任何基因相關疾病都有機會一展長才。以皮膚癌為例,若針對其致癌基因表皮生長因子受體 (epidermal growth factor receptor,EGFR) 設計 siRNA 球型核酸,便有可能抑制腫瘤生長。另外,球型核酸強大的穿透力已被證實更容易穿越傳統藥物分子難以突破的血腦障壁、血腫瘤障壁、與皮膚表層等天然屏障,可更有效對付頑強的中樞神經腫瘤及皮膚病變。而近幾年發展出的多功能球型核酸,則能在保持原有優點的同時,一併攜帶藥物或顯影劑等各種工具,以滿足診斷或治療的諸多需求。這些精彩的進展將在本專題下集進行詳細介紹,您千萬不能錯過!

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參考文獻:
1. Bennett CF & Swayze EE. Annu Rev Pharmacol Toxicol 2010; 50:259-93.
2. Cerritelli SM & Crouch RJ. FEBS J 2009; 276:1494-505.
3. Castanotto D & Rossi JJ. Nature 2009; 457:426-33.
4. Kanasty RL et al. Mol Ther 2012; 20:513-24.
5. Schroeder A et al. J Intern Med 2010; 267:9-21.
6. Whitehead KA et al. Nat Rev Drug Discov 2009; 8:129-38.
7. Fichter KM et al. ACS Nano 2013; 7:347-64.
8. Nelson CE et al. ACS Nano 2013; 7:8870-80.
9. Patil ML et al. Biomacromolecules 2009; 10:258-66.
10. Alabi CA et al. Proc Natl Acad Sci USA 2013; 110:12881-6.
11. Choi CH et al. Proc Natl Acad Sci USA 2013;110:7625-30.
12. Massich MD et al. Mol Pharm 2009; 6:1934-40.
13. Burnett JC & Rossi JJ. Chem Biol 2012; 19:60-71.

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