突破基因治疗困境的希望之星:球型核酸 (上)

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基因治疗的契机与困境

基因治疗的主要目标,就是利用基因编辑工具 (如:CRISPR) 直接修改基因序列,或是促进或抑制基因的转录或转译过程,让身体适量表现可发挥正常功能的蛋白质。在 CRISPR 崛起之前,大部分的基因治疗研究都集中在基因表现的调控,像是透过反义寡核苷酸 (antisense oligonucleotides,ASOs) 在细胞质与目标 mRNA 互补结合以妨碍后续转译 [1],或促使核糖核酸酶 H (RNase H) 切断 RNA-DNA 复体而抑制 DNA 的复制或修复 [2]。另一种策略则是仿照 RNA 干扰路径 (RNA interference (RNAi) pathway) 设计小干扰 RNA (siRNA) 或微小 RNA (microRNA) ,形成 RNA 诱导静默复合体 (RNA-induced silencing complex,RISC) 来分解目标 mRNA [3]。而即使现在 CRISPR 技术日益成熟,上述这些基因调控技术仍有很大的发挥空间,因为并非所有基因相关疾病都与错误的基因序列相关,有些疾病是与基因过度表现相关 (如:特定癌症),有些则是与基因表现不足相关 (如:糖尿病)。不过实际上要是直接打入未经处理的核酸片段,往往会因被肾脏快速排除、被血中核酸酵素分解、诱发免疫反应、以及不易通过细胞膜等因素而导致组织和细胞吸收效率不佳 [4-6]。故为克服上述问题,科学家陆续发展出各种携带寡核苷酸的方式,像是 polymers/polyplexes [7、8]、dendrimers [9]、或脂质奈米颗粒 [10] 等。而在众多尝试中, 球型核酸因能突破许多限制而受到青睐,并在近期首度展开 Phase I 临床试验。

球型核酸的构造与特性

球型核酸的基本构造包含一奈米微粒核心,与附着其上、具特殊排列和特定功能的寡核苷酸外壳。内外两构造随需求可进行各种调整,常见的外围寡核苷酸单元有 DNA、siRNA、microRNA、胜肽核酸 (peptide nucleic acid,PNA)、或是锁核酸 (locked nucleic acid,LNA);核心则包括金、银、氧化铁、量子点 (quantum dot)、铂、与钯等金属质的微粒,或非金属质的二氧化硅和脂质体,甚至可能只是外侧寡核苷酸交错连接而内部呈现中空的型式。球型核酸的功能主要取决于外围众多的寡核苷酸,例如在脂质体核心外接上 siRNA,球型核酸进入细胞后便能形成 RISC 来抑制特定基因表现。而由于线状 DNA 或 RNA 在体内极不稳定,因此以往得设计病毒或非病毒载体将其送入目标组织,但渗透率、衍生的毒性、以及容易触发免疫反应等缺点常常使疗效与安全性大打折扣。不过球型核酸因外侧的寡核苷酸可和细胞膜 A 型清道夫受体 (class A scavenger receptors,SR-A) 结合而引发胞吞作用 [11],因此能够进入几乎所有的细胞,且其诱发的免疫反应程度约为传统正电载体的 4% [12],更能够稳定存在于体内发挥作用。但这里必须特别注意的是,球型核酸虽由于渗透细胞效率良好且本质稳定而极具应用潜力,却也因容易广泛进入正常组织而可能造成其他不良影响,这在后续应用上绝对是得优先考虑的问题。

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

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

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球型核酸的临床研究与应用

干扰基因转录或转译的核酸疗法可用于治疗癌症、遗传性疾病、心脏疾病、发炎反应、以及病毒感染等等 [13],但传统分子结构因面临诸多限制,导致过去迟迟未有显著进展。相较之下,球型核酸的外侧寡核苷酸在设计上更为自由,理论上在任何基因相关疾病都有机会一展长才。以皮肤癌为例,若针对其致癌基因表皮生长因子受体 (epidermal growth factor receptor,EGFR) 设计 siRNA 球型核酸,便有可能抑制肿瘤生长。另外,球型核酸强大的穿透力已被证实更容易穿越传统药物分子难以突破的血脑障壁、血肿瘤障壁、与皮肤表层等天然屏障,可更有效对付顽强的中枢神经肿瘤及皮肤病变。而近几年发展出的多功能球型核酸,则能在保持原有优点的同时,一并携带药物或显影剂等各种工具,以满足诊断或治疗的诸多需求。这些精彩的进展将在本专题下集进行详细介绍,您千万不能错过!

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参考文献:
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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