【原】生物分析专栏 | 核酸药物的药代动力学和生物分析

医药魔方 2021-08-29

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核酸药物是指可用于治疗疾病的核酸本身或与之密切相关的化合物，包括天然核苷酸和经化学修饰的核苷酸。虽然核酸药物的类型多种多样，但它们都有一个共同的作用机制，通过Watson-Crick碱基互补配对机制特异性识别内源性核酸序列，从而发挥作用[1]。除基因治疗以外，用于治疗的核酸还可通过抑制DNA或RNA的表达，从而抑制与疾病相关的异常蛋白表达，且不影响其他蛋白的表达[2]。与抗体药物相比，核酸药物表现出超过抗体药物的功效和安全性，又因相对较小的分子量而利于药企批量生产。这些特点，使核酸药物有望应用于以前难以治疗的癌症和遗传性疾病，以及流感等病毒感染引起的疾病。

图1 核酸药物分子量

一、核酸药物的分类

核酸药物包括DNA药物和RNA药物。

1.DNA药物

DNA药物包括反义寡核苷酸和DNA适配体[3]。

（1）反义寡核苷酸（ASO）

反义寡核苷酸是长度在8-50个碱基的单链短序列，通过Watson-Crick碱基互补配对与目标mRNA结合，使目标mRNA被内源性的核糖核酸酶H降解或使目标mRNA因空间位阻而发生功能阻滞[4-5]。

（2） DNA适配体

适配体又被称为“化学抗体”，是合成的长度在56-120个碱基的DNA或RNA单链序列。适配体的目标序列为蛋白编码序列，通常可作为诱饵，与目标序列的亲和力极高。DNA适配体与反义寡核苷酸类似，都是单链短序列，可通过空间结构识别来有效结合目标序列[6]。适配体具有无药物毒性、无免疫原性的特征，与单克隆抗体产品相比组织穿透能力更强，更易生产，体外修饰更简单，并且可以静脉或皮下注射，是未来替代单克隆抗体的更具潜力和吸引力的产品[7]。

2. RNA药物

RNA类核酸药物包括short interfering RNAs（siRNA)、micro RNA（miRNA）、RNA适配体、核糖酶以及 Circular RNAs（circRNA）等。RNA在细胞内的作用普遍被认为是蛋白合成过程中的遗传信息传递信使，直到19世纪80年代，RNA的其他功能才逐渐被揭开[3]。

（1） siRNA

siRNA是一个长20到25个核苷酸的双链RNA。siRNA序列与基因编码序列互补配对，诱导相应信使RNA降解，从而阻碍mRNA向蛋白质翻译，即为RNA干扰。RNA干扰通路是1998年由Fire等人在线虫研究过程中发现，RNA干扰机制见图2。RNA干扰机制的功能似乎是机体实现自我保护的手段，保护自身免受外来可移动的遗传信息的侵袭，如诱导活跃期病毒引起RNA或双链RNA的降解[8]。由于RNA干扰可以通过体外实验诱导发生，siRNA的治疗对于由基因异常表达或基因突变引起的疾病，如癌症、病毒感染和遗传疾病等具有巨大的应用潜力[7]，并且干扰过程发生在细胞质中，不需要穿透细胞核，这使siRNA药物开发更具吸引力。

图2 RNA干扰机制(a, b) siRNA and miRNA pathway[9]

（2） miRNA

miRNA于1993年发现，从蠕虫基因组信息到与人类疾病相关，其功能逐渐被研究和发掘[10]。miRNA是非编码基因组的重要组成部分，由15-22个碱基组成。是转录后基因表达调控中关键的负调节因子。miRNA疗法又可分为两类，一类为miRNA拮抗剂，另一类为人工合成miRNA类似物，其中后者又被称为“miRNA替代疗法”[3]。研究表明，miRNA的失调与人类多种疾病的发病机制相关，如糖尿病、肥胖、阿尔茨海默氏症、帕金森氏症以及心血管和自身免疫性疾病等病变组织中都存在miRNA的过表达[11]，这使得miRNA成为疾病研究的靶点之一[12-13]。miRNA作为治疗药物的优势在于，它们能够同时作用于多个分子，而不像传统的靶向单个基因，这使miRNA在调节与正常和癌症细胞生物学相关的不同生物细胞过程中极为有效[14]。

（3） RNA适配体

RNA适配体可以作为治疗药物在于它可以通过折叠为三维结构与靶蛋白集合并抑制靶蛋白，其作用机制类似于蛋白拮抗剂。RNA适配体可以结合病毒蛋白，因此可以作为siRNA的运输载体。其他类型RNA药物必须进入胞内才能与其靶标结合并发挥作用，RNA适配体不仅可以进入细胞与胞内靶标结合，同时可以直接与胞外靶标相互作用[15]。但RNA适配体本身对核酸外切酶比较敏感，需要对其末端进行修饰封顶，防止末端降解[16]。

（4）核糖酶

在蛋白质缺乏的情况下，部分RNA可以作为酶起到生物催化作用，这类RNA被称为核糖酶[17]。核糖酶具有特异性高、靶点范围广、可在蛋白翻译前发挥作用等特点，无论是人工合成的核糖酶还是天然的核糖酶，都可以有效地抑制基因表达。目前，核糖酶中，锤头型核酶和发夹型核酶都得到了广泛的研究，锤头型核酶催化特异性和高效性使其研究最为广泛和深入。核糖酶可以作为潜在的治疗靶点，来进一步验证相关基因与疾病的关系。另外，核糖酶剪切mRNA的功能可以使其在癌症以及病毒学中得到进一步的应用[18]。

二、核酸药物研究进展

近年来,核酸药物取得了长足的发展, 比如致力于研发mRNA疗法的，拥有丰富的研发管线的BioNTech AG，目前有1项进入临床I期，11项进入临床II期。2020年Nature Reviews Drug Discovery杂志《RNA therapeutics on the rise》中分析了来自Informa Pharma Intelligence’s Biomedtracker的核酸药物数据，有431个核酸药物在研项目。在这些候选核酸药物中，63%处于早期非临床阶段，32%处于临床早期阶段（临床I期或II期阶段），3%处于临床III期，还有5个品种（Viltolarsen、Casimersen (SRP-4045)、Volanesorsen、Lumasiran、Inclisiran）处于新药注册阶段（目前这5个品种均已被FDA获批上市）。

其中，Inclisiran是一种siRNA，可以与肝脏中的PCSK9蛋白的mRNA结合，通过RNA干扰作用，降低mRNA的水平，抑制肝脏中PCSK9的蛋白表达，进而增强肝脏清除血液中低密度脂蛋白胆固醇的能力。Inclisiran 已于2020年12月11日在欧盟上市，成为首款也是唯一进入慢性病用药市场的siRNA类药物，用于治疗成人高胆固醇血症及混合性血脂异常。Inclisiran在中国注册申请的临床试验已经获批并开展，适应症是高胆固醇血症。

国际核酸药物研发领域已如火如荼，截止2021年8月，国际上已有14个核酸药物上市。国内也出现了多家开展核酸药物研发的制药企业，其中杭州天龙研发治疗肝细胞癌的核酸药物CT102处于临床I期阶段。

表1 获批核酸药物列表[19]

注：根据文献及公开信息整理，数据截至2021年8月。

三、核酸药物面临的挑战

虽然核糖核酸药物研发已经取得了巨大的进展，但其进一步发展仍然需要面对诸多挑战，如核酸药物递送系统（DDS），体内核酸分子的不稳定性以及核酸药物不良反应等。

1. 药物的传递系统（DDS）

单链结构的核酸药物的系统传递相对容易。大部分的单链核酸药物被肝脏和肾脏吸收，但偶尔出现被其他组织吸收的情况，如视网膜神经节细胞可以直接吸收裸露的siRNA分子。对于双链核酸药物来讲，其吸收会更具挑战性，其双链结构抑制了核酸药物的硫代磷酸主链增强吸收的作用能力[19]。但脂质纳米载体的发展为双链结构核酸药物的发展创造了机会，脂质纳米载体因其体积、载药效率以及特异的物理化学性质使其能有效的提高核酸药物的稳定性，并完成药物的体内传递，避免药物体内降解和有效释放[20]。

图3 临床应用中主要的siRNA传递系统（(a-c) liposome, DPCTM and GalNAc-siRNA conjugate ）[9]

2. 核酸分子的不稳定性

治疗用核糖核酸药物通常包含15~30个单链或者双链的核苷酸。短的DNA或RNA分子对核酸内切酶或外切酶都非常敏感，极易被降解。核酸药物被注入体内后，遇到的第一个生物屏障即血浆及组织中的核酸酶，通常一小时内甚至几分钟即被完全降解。另外，肾脏对siRNA分子的清除能力极强，这也导致了siRNA在血液中的半衰期极短，一般只有几分钟。因此，通常需要对核酸药物进行化学修饰来增强其稳定性[21,22]。化学修饰还可引入其他优势，如：增强其与靶标结合的亲和力或提高生物利用度。硫代磷酸化修饰是目前应用最广泛而且是第一种被开发和应用的化学修饰方式，核苷酸链中磷酸上带双键的氧原子被硫原子取代[23]。这种修饰方式虽然会降低核糖核酸与靶标之间的亲和力，但增强了其稳定性，提高了生物利用度。核酸药物的分子量一般在5-12kDa，可被肾脏过滤。硫代磷酸化后，核酸药物可以低亲和方式与血浆蛋白结合，从而降低了肾脏的清除率，进而提高肝脏等其他器官中药物的利用度[19]。

3. 核酸药物的不良反应

对于核酸药物疗法，需要考虑两个方面的安全问题。

首先，应考虑序列特异性问题。对于以蛋白敲除为目的的核酸药物来讲，如果在靶标组织或非靶标组织中过度敲除目标转录本或编码蛋白，则会导致负面效果。同时，因核酸药物与RNA有较强的亲和力，导致其可能与非靶标之外的序列结合。通常，寻找唯一靶标序列可以降低这种风险[19]。

另一方面，需要考虑的是核酸药物化学修饰相关的安全问题。不同的修饰有其自身的安全特性，同一化学性质的核酸药物通常安全表现相似，但部分通过激活Toll样受体诱导免疫反应的序列，其安全特性却不尽相同[24]。CpG序列是其中一种，而胞嘧啶核苷酸的甲基化通常可以很大程度降低风险[19]。总体来说硫代磷酸化主链是核酸药物毒性的主要诱因，通过改变药物的化学特性、药物的转运载体以及药物偶联物最终降低病人用药量，从而降低用药风险，减少副作用。

四、核酸药物的药代动力学

虽然获批或在研的核酸药物或核酸疗法已经获得了阶段性成果，但具有相对完整药代动力学（ADME）数据的核酸药物相对较少。核酸药物的药代动力学性质很大程度上取决于核酸磷酸主链及核糖的化学修饰类型，因其化学修饰策略将直接影响核酸药物生物稳定性及与血浆蛋白的结合能力。如硫代磷酸化修饰可促使核酸与血浆蛋白的非特异性结合，从而对血液清除、生物分布和细胞摄取产生有益效果。另外，核糖2' 端修饰可以增强核酸对核酸外切酶的抗降解能力，延长药物的体内的半衰期。

吸收

由于口服核酸药物的胃肠吸收效率较低，大部分核酸药物均目前通过肠外途径给药，如静脉滴注，皮下注射或局部给药。硫代磷酸化核酸药物与血浆蛋白结合率超过90%，其半衰期约为1~2小时。

分布

核酸药物组织聚集主要发生在肾脏、肝脏、脾、淋巴结、脂肪细胞和骨髓。然而，对于未被包被的硫代磷酸化siRNAs在给药几分钟后便会消失，组织中无法检测到相应的siRNAs，这是siRNA被认为是体内生物利用度较差，需要对其传递系统和修饰进行优化设计的最重要的原因。其他研究报道，锁核酸（LNA）修饰的anti-miR-122可通过腹腔注射或静脉注射被肝细胞有效吸收。

代谢

未修饰的寡核苷酸的主要代谢产物是在3' 端缺失一个碱基的寡核苷酸，这些寡核苷酸将进一步降解为缺失两个或两个以上碱基的寡核苷酸。在引入第二代化学修饰技术，如2' 端甲氧基化修饰后，其降解产物则是较短的内切酶剪切产物。

排泄

核酸药物的大多数代谢物最终通过尿液排出，少量通过胆道清除[20]。

五、生物分析

核酸药物一般通过化学合成，分子量介于小分子化学药物与大分子生物制剂之间。但由于核酸药物是带电化合物，在生物环境中极不稳定，其理化性质与生物制剂更为相似[25]。因此核酸药物的临床试验及生物分析比生物制剂更为复杂[26]。

1. 核酸药物检测

寡核苷酸疗法已经发展了30多年，最初是基于DNA疗法，如ASO、适配体等；紧接着是基于RNA的疗法，如siRNA, mRNA, miRNA等。

由于治疗性寡核苷酸的目的是改变生物靶点，因此必须能够准确地确定其在生物样品中的浓度。还需要确定体内产生的代谢物。代谢物具有潜在活性并可能引起脱靶毒性。在研究的早期识别代谢物可以帮助研究人员确定是否有脱靶毒性的潜力，这对于解释临床前和临床研究的结果相当重要。

这些化合物的组织分布也很重要。许多治疗性寡核苷酸要么在其结构中构建了靶向部分，要么将使用传递系统来促进药物进入靶标，以增加其在特定器官中的浓度。这些生物药物的修饰（如硫代磷酸化、与N-乙酰半乳糖胺(GalNac)偶联等）不仅提高体内稳定性、靶向特异性和总效价等，同时也给磷酸药物的分析也带来了更多的挑战和机遇。

目前，核酸类药物中核酸的定量分析方法包括放射性核素标记法、毛细管电泳法、杂交技术酶联免疫法、电化学发光免疫法、高效液相色谱法、色谱-质谱/质谱连用技术、RT-PCR等。

（1）色谱-质谱/质谱连用技术（LC-MS/MS）

在过去的20年里，已经报道了许多使用LC-MS/MS进行寡核苷酸生物分析的方法。这些方法一般可分为两类：对药物及其代谢产物的定量、分离和鉴定治疗性寡核苷酸的代谢物。

对于LC-MS/MS的方法开发来讲，首先需要考虑的是通过什么制备方法获得待分析的核酸药物及其代谢产物。样本制备方法目前可以分为5类，分别为Trizol 萃取法提取总RNA、蛋白酶K降解法、固相萃取法、磁珠杂交提取以及在线捕获柱（On‐line Trapping Columns）。样本制备中非特异性吸附是核酸类分子灵敏度降低的一个更重要原因。因此，在该方法中尽量减少样品转移步骤的数量，并避免样品过滤。一种有效减少这种影响的策略是在样品中引入相对高浓度的寡核苷酸。除了能起到占据非特异性吸附位点的作用外，这种寡核苷酸还可以作为内标。另外，样品制备也可以同时采用两种方法进行，比如迄今为止最常用的制备方法是在固相萃取之前先使用Trizol萃取法[27]。

图4 LC-MS/MS检测核酸药物的样品制备方法[27]

表2 LC-MS/MS检测核酸药物的样品制备方法及液相条件汇总表[27]

虽然LC-MS/MS在核酸药物检测领域已得到广泛应用，但仍然存在诸多挑战，比如样品制备、血浆、肝脏和眼液外其他组织的检测等。

表3 LC-MS/MS方法验证指标

（2）Splint Ligation and Quantitative Polymerase Chain Reaction

2021年Minwook Shin等人公布了SplintR qPCR检测并定量寡核苷酸的方法，该方法将ASO作为夹板来指导互补探针的结合，并使用实时定量PCR来定量结合产物。该方法的检测限可以达到10⁶，可检测血清、肝、肾、肺、心脏、肌肉和脑组织中低水平的2-0-MOE gapmer修饰的 ASO。该方法可以定量各种类型的化学修饰ASOs，包括PS、2-OMe、2-0-MOE、锁核酸(LNA)和siRNA。这种方法不需要修改探针，可以使用标准的实验室设备进行操作[28]。

图5 SplintR qPCR法定量检测不同类型的ASOs[28]

表4 SplintR qPCR方法验证指标

2、免疫原性分析

核酸（尤其是DNA）具有潜在的免疫原性，正常情况，血液中都存在少量的DNA，在细胞炎症或细胞损伤并凋亡的疾病状态下，DNA的血液含量会增加，可能会诱发强烈的免疫反应。核酸药物的结构与DNA相关，另外核酸药物的骨架修饰、碱基修饰（如甲基化修饰）、链型、核酸药物的蛋白载体、脂质载体等都会影响核酸药物的免疫原性。

核酸抗药抗体（ADA）或中和抗体（Nab）的检测高度依赖于检测方法的敏感性和特异性。此外，抗体分析中检测到的抗体(包括中和抗体)阳性的发生率可能受到多个因素的影响，包括检测方法、样品处理、样品采集时间、伴随药物治疗和潜在疾病。因此，同一产品不同研究之间或该产品与其他产品研究之间的抗体发生率可能并不具有可比性。GIVLAARI的临床试验中，在安慰剂对照和开放性临床研究中，111例AHP患者中有1例(0.9%)在GIVLAARI治疗期间出现抗药物抗体(ADA)阳性。在抗givosiran抗体检测阳性的患者中，没有观察到临床疗效、安全性、药动学或药效学方面显著的临床差异。而在Mipomersen三期试验中37.5%的患者抗药抗体阳性，扩展试验中72%的患者抗药抗体阳性。

表5 免疫原性验证指标

以药物Patisiran的检测为例，Patisiran是双链小干扰RNA（siRNA），由两条部分互补的单链（每条单链由21个核苷酸组成）构成。Patisiran脂质纳米颗粒包括siRNA（ALN-18328）、四个脂质辅料：其中两个为已批准药物，DSPC（别名1,2-二硬脂酰基-sn-丙三基-3-磷酸胆碱）和胆固醇，另外两个分别为阳离子脂质体DLinMC3-DMA和阳离子脂质体PEG2000-C-DMG。siRNA被包裹在脂质纳米颗粒中，以防止其被核酸外切酶降解，另外可以促进其体内的转运过程。

在多次给药剂量爬坡的II期临床试验及中，Patisiran其血浆中封闭及游离的ALN-18328及尿液中ALN-18328的浓度检测采用以ATTO为探针的高效液相荧光检测法（high-performance liquid chromatography(HPLC) / fluorescence detection method）[28]进行，血浆中封闭型ALN-18328的定量下限达到了1 ng/mL，批间精密度范围为1.7%~8.0%，批间准确度范围为-5.0%~4.0%。血浆中游离ALN-18328批间精密度范围为0.0% ~ 5.7%（CV%），批间准确度范围-6.7%~5.0%。而其脂质纳米颗粒的辅料 PEG₂₀₀₀-C-DMG及DLin-MC3-DMA的血浆浓度使用液相色谱串联质谱法进行分析。PEG₂₀₀₀-C-DMG血清抗药抗体评估（ADA）分析则使用酶联免疫吸附测定法。

图6 Patisiran 临床II期MAD试验ALN-18328 (A, B), DLin-MC3-DMA (C, D), and PEG2000-C-DMG (E, F) 的血浆样品浓度检测[29]

六、结语

核酸药物给肿瘤免疫及遗传代谢疾病的治疗带来曙光，也为未来治疗其他疾病提供了更多的选择。当评估核酸药物是否可以作为治疗某种疾病的选择时，首要考虑的还是目标组织。核酸药物可以在肝脏、神经系统以及眼组织中传递，但其他组织中的传递却不尽人意，核酸药物的进一步开发和应用仍然任重而道远。核酸药物的药代动力学、药效动力学和生物分析需要多学科领域人才团队及多个技术检测平台协同合作，如质谱分析平台、免疫分析平台、细胞生物学平台以及分子生物学平台等。随着行业对核酸药物药代动力学和生物分析特点认知逐渐深入和完善，必将会促进核酸药物的研发，为临床合理用药提供重要的科学依据。

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