胆固醇功能化ASO穿越血脑屏障敲低大脑中基因

撰文 | 考拉王的桉树

责编 | 兮

新冠疫苗让RNA药物进入大众的视野，而核酸药物中起步最早的要属反义寡核苷酸（ASOs）。ASOs是一种长度在18-30的单链寡核苷酸分子，通常含有一些骨架及碱基修饰以增强其药理特性【1】。通过碱基互补配对与目标mRNA结合，导致RNAseH介导的基因敲低，还能通过诸如改变mRNA剪切、抑制核糖体翻译等方式达到抑制基因表达的功能【2】。目前已有8款ASO药物获批上市，而inois是ASO药物领域当之无愧的龙头。

由于ASO高特异性、靶向传统疗法无法达到的靶点的能力，使得其成为人类神经疾病治疗发展的理想候选药物【3】。但由于血脑屏障和血脑脊液屏障的存在，通常只有分子量<450Da的疏水小分子药物才能通过这些屏障【4】。因此ASOs通常是通过侵入性的脑脊液注射的方式给药，这仍然是ASO在中枢神经系统疾病的临床应用中最重要的障碍之一。尽管已有的经验表明脑脊液给药在大多数个体中具有良好的耐受性，但是鞘内注射比静脉注射更具侵入性，对于严重腰椎侧凸或联合抗凝治疗的患者可能是困难的【5】。因此，一种能够有效的将ASO从血液输送到大脑的方法将是非常有益的。

2021年8月12日，来自东京医科牙科大学的Takanori Yokota教授团队在 Nature Biotechnology 上发表题为Cholesterol-functionalized DNA/RNA heteroduplexes cross the blood–brain barrier and knock down genes in the rodent CNS的工作，他们开发了一种胆固醇修饰的DNA/RNA 杂化双链寡核苷酸分子 (Chlo-HDOs)，可以通过皮下或静脉注射的方式抑制大脑、脊髓细胞中目标基因的表达。通过更有效地穿越血脑屏障， Chlo-HDOs可以克服ASOs靶向中枢神经系统的难题，而无需脑脊液给药。

为了找到能够顺利通过血脑屏障的修饰，作者合成并评估了14种亲脂化合物，包括9种天然脂肪酸和甾醇，用于小鼠中枢神经系统的基因敲除。靶向MALAT1的单链ASO和脂质修饰的HDO静脉注射到小鼠体内，采用qRT-PCR检测大脑皮层中MALAT1 RNA水平。结果显示，ASO没有敲低效果，多数亲脂分子修饰的HDO在CNS中的敲低效果不明显，但其中胆固醇修饰的HDO（Chol-HDO）单次静脉注射可降低约60%的MALAT1水平。接着，作者对HDO结构及注射次数进行进一步优化，多次注射Chol-HDO，大脑中MALAT1水平降低了90%。在中枢神经系统区域，包括大脑皮层、小脑、纹状体、海马、脑干和脊髓，Chol-HDO也都表现出了类似水平的效果。

在证明静脉注射Chol-HDO可以降低CNS中MALAT1基因表达之后，作者评估了该技术抑制临床相关基因靶点的能力。疾病相关的 DMPK、SOD1、GFAP基因在不同大脑区域中被成功敲低。中枢神经系统中Chol-HDO药代动力学和药效学分析表明，Chol-HDO主要存在于大脑皮层神经元和脊髓前角细胞的细胞质中，而且在大脑皮层中的半衰期（28.9天）长于肝脏或肾脏中，表明从大脑皮质中清除Chol-HDO比肝脏或肾脏的清除慢。

接着，作者进行了一系列实验，比较了全身输送（i.v.）Chol-HDO和直接脑脊液(i.c.v.)注射单链ASO的效率。单次静脉给药Chol-HDO表现出了与脑脊液注射单链ASO相当的PK/PD曲线。当然，达到同样的药效需要更大的注射量，另外在肝脏和肾脏中检测到更高含量的药物。

总之，本文开发了一种胆固醇修饰的DNA/RNA 杂化双链寡核苷酸，可以静脉注射穿过血脑屏障，抑制中枢神经系统中的基因表达。Chol-HDO在小鼠和大鼠中具有良好的PK/PD谱，仅显示出轻微的毒性，可以达到脑脊液注射ASO类似的药效。当前，全球有超过50个ASO药物处于临床研究阶段，其中大量针对中枢神经系统疾病，本文提出的脂质小分子修饰ASO策略可能在未来神经性退行疾病的治疗中大放异彩。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-021-00972-x

参考文献

1. Nature Reviews Drug Discovery 19.10 (2020): 673-694.

2. Nature Reviews Neurology 14.1 (2018): 9-21.

3. Nat. Rev. Drug Discov. 11,125–140 (2012).

4. Journal of neurochemistry 70.5 (1998): 1781-1792.

5. Lancet Neurol. 11, 443–452 (2012).