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(kāi)發(fā)時(shí)間的記錄，從開(kāi)發(fā)到獲FDA批準上市僅僅用時(shí)一年時(shí)間。

        而最近，mRNA技術(shù)更是獲得了諾貝爾獎的認可，Katalin Karikó 和 Drew Weissman 因發(fā)現了核苷堿基修飾，從而開(kāi)發(fā)出了有效的mRNA疫苗來(lái)對抗COVID-19，而獲得了2023年諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎。

        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(xiàn)性形式存在，而這種形式的mRNA的壽命很短。再幾小時(shí)內，細胞內的核酸酶就會(huì )把他們降解掉。RNA這種轉瞬即逝的性質(zhì)對用作疫苗來(lái)說(shuō)并不是個(gè)大問(wèn)題，因為它只需要很短的時(shí)間來(lái)編碼出蛋白質(zhì)，就能引發(fā)免疫反應。

        但是，對于大多數治療應用來(lái)說(shuō)，最好是能讓RNA留存的時(shí)間更長(cháng)。而這是環(huán)狀RNA（circRNA）的一個(gè)優(yōu)勢——其共價(jià)閉合環(huán)形結構可以保護自身免受核酸酶的降解，從而具有更好的穩定性和更長(cháng)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)現和發(fā)展

        1976年，環(huán)狀RNA（circRNA）首次被發(fā)現，但當時(shí)被認為是細胞內mRNA剪接錯誤帶來(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(lèi)具有調控作用的非編碼RNA，通過(guò)作為miRNA的海綿（sponge）來(lái)調控其他基因表達。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，并陸續被發(fā)現在細胞分化、組織穩態(tài)、疾病發(fā)展，以及免疫代謝中發(fā)揮重要調節作用。

        2018年7月，是環(huán)狀RNA發(fā)展史上的一個(gè)關(guān)鍵轉折點(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可在真核細胞中穩定、高效表達蛋白，開(kāi)創(chuàng )了外源環(huán)狀RNA在真核細胞中表達蛋白的新應用，也證明了環(huán)狀RNA是線(xiàn)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(kāi)發(fā)新療法的公司 ——Orna Therapeutics。該公司的核心技術(shù)在于其開(kāi)發(fā)RNA環(huán)化技術(shù)，他們實(shí)現了超長(cháng)環(huán)狀RNA構建，將編碼杜氏肌營(yíng)養不良（DMD）所缺乏的肌營(yíng)養不良蛋白（Dystrophin）的mRNA實(shí)現環(huán)化，該mRNA長(cháng)達12000個(gè)核苷酸。

        但 Orna 并非唯一一家致力于開(kāi)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，讓其細胞內部剪接產(chǎn)生環(huán)狀RNA。Chimera Therapeutics 公司則使用基因工程細菌來(lái)生成環(huán)狀RNA。

        此外，還有兩家來(lái)自中國的初創(chuàng )公司，環(huán)碼生物和科銳邁德，這兩家公司去年分別在預印本發(fā)表論文，開(kāi)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(kāi)始涉足環(huán)狀RNA技術(shù)。他們相信，線(xiàn)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)勢與進(jìn)展

        談及環(huán)狀RNA的優(yōu)勢，斯坦福大學(xué)的張元豪（Howard Chang）認為，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，張元豪團隊在 Nature Biotechnology 期刊發(fā)表論文，該研究通過(guò)多處優(yōu)化設計，成功環(huán)狀RNA翻譯表達的蛋白質(zhì)產(chǎn)量提高了數百倍，可在體內實(shí)現有效且持久的蛋白質(zhì)生產(chǎn)。

        之后，張元豪與mRNA技術(shù)先驅、2023年諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎得主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2.7億美元的A輪融資。

        環(huán)狀RNA技術(shù)的支持者預計，環(huán)狀RNA將成為制藥行業(yè)的首選RNA平臺，并可能開(kāi)啟下一代疫苗、罕見(jiàn)疾病療法，以及抗癌藥等產(chǎn)品。

        將環(huán)狀RNA開(kāi)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。中國科學(xué)院分子細胞科學(xué)卓越創(chuàng )新中心的陳玲玲研究員認為，這其實(shí)取決于構建環(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，從而導致結構不規則的環(huán)形結構，從而引發(fā)免疫反應。

        但在某些情況下，免疫反應又是可取的。

        2022年3月，北京大學(xué)魏文勝團隊在 Cell 期刊發(fā)表論文，該研究在小鼠和猴子上證實(shí)，與線(xiàn)性mRNA疫苗相比，環(huán)狀RNA疫苗誘導產(chǎn)生了更多的中和抗體，以及更有效的T細胞反應。此外，環(huán)狀RNA在環(huán)境溫度下比線(xiàn)性mRNA更穩定，因此，基于環(huán)狀RNA的疫苗可以在沒(méi)有冷鏈的情況下儲存和運輸。

        魏文勝教授創(chuàng )立了圓因生物，且已開(kāi)始環(huán)狀RNA新冠疫苗的人體實(shí)驗，這也是首次在人體中測試合成的環(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，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——白細胞介素-12（IL-12）。

        Orna 公司準備在2024年開(kāi)始一項環(huán)狀RNA療法的臨床試驗，這款環(huán)狀RNA療法可以重新編程免疫細胞來(lái)攻擊血癌。在今年5月的美國細胞基因治療行業(yè)會(huì )議（ASGCT）上，Orna 的科學(xué)家們展示了臨床前研究結果，結果顯示，注射低劑量的LNP遞送的環(huán)狀RNA到小鼠體內，即可再體內原位重編程T細胞，根除白血病小鼠模型的腫瘤，而不需要任何復雜的細胞工程或高強度的預備藥物方案。

        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結合，作為一種被稱(chēng)為適體（aptamer）的藥物。它們可以捕獲和隔離不同種類(lèi)的調節分子，有效地將其從細胞環(huán)境中清除。它們還可以作為“反義因子”與基因轉錄物（mRNA）結合，阻斷或改變其表達。此外，它們還可以作為RNA編輯應用的指導分子，將特定的酶導向需要糾正的突變基因轉錄本。各個(gè)初創(chuàng )公司正在積極探索這些應用。

人工智能助力環(huán)狀RNA研究

        2023年5月，百度美國研究院黃亮、張亮（現為中國藥科大學(xué)教授），聯(lián)合斯微生物，在國際頂 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、更穩定的mRNA。

        這項研究不僅為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，有望徹底改變醫療保健現狀。該研究開(kāi)發(fā)的線(xiàn)性設計工具——LinearDesign，可以?xún)?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，團隊在預印本 bioRxiv 發(fā)表論文，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出了用于環(huán)狀RNA結構預測與序列設計算法平臺——circDesign。

        研究團隊將circDesign算法應用于基于環(huán)狀RNA的狂犬病疫苗和帶狀皰疹疫苗的序列優(yōu)化設計中，在小鼠模型中增強了環(huán)狀RNA的序列穩定性、蛋白翻譯效率和免疫原性，成功驗證了circDesign平臺在環(huán)狀RNA序列設計優(yōu)化上的有效性。

        據悉，這是國際上首 個(gè)通過(guò)人工智能算法優(yōu)化設計環(huán)狀RNA的案例，有望簡(jiǎn)化環(huán)狀RNA的序列優(yōu)化設計，提高環(huán)化效率、穩定性和蛋白翻譯水平。

        circDesign算法開(kāi)發(fā)人、LinearDesign共同一作、中國藥科大學(xué)張亮教授表示，相比線(xiàn)性RNA，針對環(huán)狀RNA的序列設計需要考慮的因素更多，目前團隊正在積極探索針對不同RNA平臺的設計算法，希望人工智能技術(shù)能夠加速RNA疫苗和藥物的開(kāi)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(zhù)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，其核心研究項目——使用環(huán)狀RNA表達GLP-1用于減肥，被曝光涉嫌數據造假。這一事件也引起了人們對于對于環(huán)狀RNA潛力的懷疑。

        一家基于合成生物學(xué)的mRNA療法開(kāi)發(fā)公司 Strand Therapeutics，他們也曾開(kāi)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(kāi)發(fā)基于環(huán)狀RNA藥物或療法將會(huì )面臨的難題數量難以置信，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已于今年8月啟動(dòng)。但環(huán)狀RNA距離開(kāi)啟一場(chǎng)藥物開(kāi)發(fā)的革命，或實(shí)現 Laronde 公司所做的承諾——到本世紀末開(kāi)發(fā)100款基于環(huán)狀RNA的新藥項目，還有很長(cháng)的路要走。環(huán)狀RNA的優(yōu)勢是否會(huì )使其勝過(guò)其它的持久治療方法，例如傳統的基因療法，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(kāi)創(chuàng )了外源環(huán)狀RNA在真核細胞中表達蛋白新應用的論文的第一作者，也是 Orna Therapeutics 公司的聯(lián)合創(chuàng )始人，他現在是麻省總醫院布里格姆基因和細胞治療研究所RNA治療主任。他認為，盡管線(xiàn)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