罕見疾病的救星-核酸藥物
新冠肺炎的肆虐，新冠疫苗的飛速開與發展下，mRNA疫苗與相關發展技術也帶動其他核酸領域的研究，其中核酸治療與核酸藥物開發又再度收到科學家關注。 核酸藥物現在許多科學家視為一個新興的治療方式，在精準醫學與疾病治療上具有極大潛力，如治療癌症、病毒感染與遺傳疾病等常見人類疾病。核酸藥物有別於傳統小分子化合藥物、蛋白質或抗體藥物，主要作用於蛋白質目標，如酶(Enzyme)、受體(Receptor)、離子通道(ion channel)、轉運蛋白(transporter protein)與激酶(kinase)等，核酸藥物可作用在DNA或RNA上，調控基因的表現與蛋白質的表達，藉由高度核酸鹼基互補的特性來參與基因轉錄與轉譯過程，調控目標基因或mRNA的表現來達到治療的效果。
▍核酸藥物的優勢
核酸藥物主要都是小片段核甘酸序列，藉由進入細胞內進行基因的調控，能夠針對目標來設計高度或專一互補的核酸序列，像是具有互補序列的基因，無論分子大小與結構都能夠設計。另外像非編碼的RNA(non-coding RNAs)，不會轉譯蛋白miRNA(microRNA)，也被發現參與了多種細胞內的調控，也能作為核酸藥物的靶向目標。隨著人類基因體解序計畫完成，基因突變與疾病表型之間的關聯性研究也越來越清楚，核酸藥物在疾病治療的開發與應用也將能造福更多患者，有望成為在小分子化學合成藥和抗體類藥物後第三大類型藥物。
▍核酸藥物種類
核酸藥物根據他們作用於目標基因的方式可以分成Antisense oligonucleotides、small interfering RNA、RNA aptamer、Splice switching oligonucleotide、miRNA Mimics與mRNA等六大類:
1. Antisense oligonucleotide, ASO
ASO為單股人工合成DNA序列，長度介於13-30個核甘酸之間，可作用於mRNA、miRNA與ncRNA，能與目標基因完全互補形成雙股結構，抑制基因表現，能降解目標RNA、剪接調控蛋白表現與抑制miRNA。ASO與目標形成雙股結構導致空間阻隔，並誘導 RNase H進行切割。RNase H 是一種內源性核糖核酸酶，可識別 DNA/RNA雙股並進行特異性切割RNA。ASO合成通常還會再進行化學修飾，包含提供結構穩定性的2'-O-Me or 2'-Fluoro修飾與提高RNase H辨識的硫代磷酸酯(phosphate diester bond)修飾等。第一款通過FDA核准的ASO藥物是在1998年由Ionis Novartis所推出的抗巨细胞病毒藥Fomivirsen，同時它也是最早核准的核酸藥物。
2. small interfering RNA, siRNA
siRNA為雙股人工合成RNA，長度介於20-30個核甘酸之間，可作用於mRNA上，與目標基因完全互補來降解目標mRNA。siRNA被送入細胞後會被胞內RNase III (如Dicer) 切割成21～25個核甘酸大小的單股siRNA，反股的siRNA會與目標mRNA完全互補結合，導致mRNA降解，停止轉譯等基因靜默的現象。siRNA與ASO一樣，都會進行2'-O-Me or 2'-Fluoro等化學修飾來抑制核酸酶降解與避免誘導免疫反應。Patisiran是第一種通過FDA核准的siRNA藥物，在2018年由Alnylam開發的用於治療遺傳性澱粉樣蛋白疾病(hATTR)。
3. RNA aptamer
Aptamer為單股人工合成DNA或RNA，具有特定三維構形，長度介於20-80個核甘酸之間，Aptamer以構型互補模式（shape complementarity）特異性識別目標靶點，可結合廣泛的目標分子，如: proteins, peptides,DNAs, RNAs,小分子化合物與離子等，具有高度的特異度與親和力。
Aptamer能與蛋白質結合，類似抗體抗原結合或化學抑制劑作用來調控蛋白質功能性。Pegaptanib是第一種通過FDA核准的Aptamer藥物，在2004年由Valeant開發的用於治療年齡相關性黃斑部病變(age-related maculardegeneration , AMD)
4. Splice switching oligonucleotide, SSO
SSO為單股人工合成DNA序列，與ASO相同，長度介於13-30個核甘酸之間，主要作用於調控Pre-mRNA剪切，形成mature mRNA。SSO透過設計Pre-mRNA的外顯子-內含子連接序列的互補的序列，可以形成雙股DNA並人工控制特定外顯子的剪接，藉由跳過(skipping)或包含(inclusion)特定外顯子來調控形成特定mature mRNA。Eteplirsen是第一種通過FDA核准的SSO藥物，在2016年由Sarepta Therapeutics開發的用於治療貝克氏肌肉萎縮症(Duchenne/Becker muscular dystrophy, 簡稱DMD)。
5. miRNA Mimics
miRNA mimics為雙股人工合成DNA序列，模仿生物體內源性miRNA的序列，長度介於19-25個核甘酸之間，這種雙股成熟miRNA進入細胞內後會形成單股miRNA再與RISC complex結合，最後與目標mRNA進行部分互補結合即有調控mRNA表現能力，能促進或抑制轉譯作用影響後續蛋白表現miRNA mimics通常會經過化學修飾，如LNA修飾來增強RNA與RNA間磷酸二酯鍵(phoshpodiester linkage)的穩定性、目標RNA的親和力與增加RICS complex識別度。目前尚未有任何miRNA Mimics藥物通過FDA核可，但在臨床有許多相關研究，特別是miR-34a-5P，它是目前已知的腫瘤抑制因子，參與p53 DNA的修復路徑，以miR-34a mimics開發的藥物MRX34在2020年時已進入臨床一期(phase1)的測試，主要針對肝癌等固體腫瘤類型的治療。
6. mRNA
mRNAs作為一類新型藥物形式的開發，不管是在基因治療或者作為核酸藥物，在治療人類疾病，包括感染、癌症和遺傳疾病都有巨大的潛力，包含疫苗接種、蛋白質替代療法和抗體療法等方面。與其他核酸藥物一樣，都是屬於人工合成方式，利用IVT(in vitro transcribed)方式合成mRNA，而不是利用Plasmid DNA或virus-based的基因治療不同，mRNA藥物通過宿主細胞轉譯成目標蛋白，而不會干擾宿主基因組。mRNA藥物也比其他核酸藥物來得更大，為了要維持序列的穩定性與體內轉譯成蛋白的效率，mRNA藥物不僅要包含目標蛋白的完整地ORF(open reading frame)，5’端需要cap修飾，3’段需要poly(A) tail修飾。
另外，細胞外的mRNA通常也會有很強的免疫反應，會將核甘酸中的uridine換成pseudouridine來降低免疫反應與提高轉譯效率。目前核酸藥物最具代表性的就是COVID-19新冠疫苗，Pfizer所生產的新冠疫苗在2020年通過US FDA緊急授權使用，隨後也通過了正式授權，COVID-19 mRNA疫苗主要是以SARS-CoV-2 外鞘蛋白(spike protein)做為目標序列，利用IVT合成mRNA後以固體脂質奈米粒(LNP))包覆誦入細胞內轉譯成病毒外鞘蛋白抗原進行免疫。
▍核酸藥物使用現況
截至2021年為止，通過USFDA或EMA核可的核酸藥物共有16種，第一個核酸藥物是1998年所批准的ASO類型Fomivirsen，其次是2004年的aptamer類型Pegaptanib，2016年的SSO類型Eteplirsen和2018年的siRNA藥物Patisiran，以及2020年的mRNA藥物新冠疫苗等。另外還有許多藥物已經進入第三期臨床測試，許多正在進行的藥物測試都以罕見疾病為目標，根據研究指出，很多罕見疾病都是與遺傳有關，發生基因突變或基因缺陷導致疾病的發生，罕見疾病可使用的藥少，藥價高額，都對這些患者造成極大的負擔與治療成效，核酸藥物出現可以說是這類患者的曙光，利用核酸平台進行高通量準確篩選，可以進行快速有效的驗證，大幅減少藥物開發時間與成本。
核酸藥物是未來的明日之星，或者可以說是許多罕病患者的生命救星!
圖爾思技術服務中心提供各式單雙股DNA與RNA的合成，包含ASO、SSO、siRNA、miRNA mimics，還各種化學修飾，滿足你所有的需要。
