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發(fā)時間的記錄，從開發(fā)到獲FDA批準上市僅僅用時一年時間。

        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(xiàn)了核苷堿基修飾，從而開發(fā)出了有效的mRNA疫苗來對抗COVID-19，而獲得了2023年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

        我們很早就知道，RNA技術(shù)有一個關鍵的缺陷——RNA通常以線性形式存在，而這種形式的mRNA的壽命很短。再幾小時內(nèi)，細胞內(nèi)的核酸酶就會把他們降解掉。RNA這種轉(zhuǎn)瞬即逝的性質(zhì)對用作疫苗來說并不是個大問題，因為它只需要很短的時間來編碼出蛋白質(zhì)，就能引發(fā)免疫反應。

        但是，對于大多數(shù)治療應用來說，最好是能讓RNA留存的時間更長。而這是環(huán)狀RNA（circRNA）的一個優(yōu)勢——其共價閉合環(huán)形結(jié)構(gòu)可以保護自身免受核酸酶的降解，從而具有更好的穩(wěn)定性和更長的壽命。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(xiàn)和發(fā)展

        1976年，環(huán)狀RNA（circRNA）首次被發(fā)現(xiàn)，但當時被認為是細胞內(nèi)mRNA剪接錯誤帶來的副產(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是一類具有調(diào)控作用的非編碼RNA，通過作為miRNA的海綿（sponge）來調(diào)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(xù)被發(fā)現(xiàn)在細胞分化、組織穩(wěn)態(tài)、疾病發(fā)展，以及免疫代謝中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。

        2018年7月，是環(huán)狀RNA發(fā)展史上的一個關鍵轉(zhuǎn)折點，麻省理工學院（MIT）的 Daniel Anderson 等人在 Nature Communications 期刊發(fā)表論文，首次證實工程化的環(huán)狀RNA可在真核細胞中穩(wěn)定、高效表達蛋白，開創(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開發(fā)新療法的公司 ——Orna Therapeutics。該公司的核心技術(shù)在于其開發(fā)RNA環(huán)化技術(shù)，他們實現(xiàn)了超長環(huán)狀RNA構(gòu)建，將編碼杜氏肌營養(yǎng)不良（DMD）所缺乏的肌營養(yǎng)不良蛋白（Dystrophin）的mRNA實現(xiàn)環(huán)化，該mRNA長達12000個核苷酸。

        但 Orna 并非唯一一家致力于開發(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構(gòu)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(nèi)部剪接產(chǎn)生環(huán)狀RNA。Chimera Therapeutics 公司則使用基因工程細菌來生成環(huán)狀RNA。

        此外，還有兩家來自中國的初創(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10億美元的融資。其中最受關注的當屬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)也開始涉足環(huán)狀RNA技術(shù)。他們相信，線性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)勢與進展

        談及環(huán)狀RNA的優(yōu)勢，斯坦福大學的張元豪（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(shù)百倍，可在體內(nèi)實現(xiàn)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(qū)、2023年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主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，并可能開啟下一代疫苗、罕見疾病療法，以及抗癌藥等產(chǎn)品。

        將環(huán)狀RNA開發(fā)為療法時，我們需要去除成環(huán)過程中的額外序列，從而避免引起不必要的免疫反應。中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心的陳玲玲研究員認為，這其實取決于構(gòu)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(gòu)建環(huán)狀RNA時，自剪接基序留下的序列會扭曲RNA折疊，從而導致結(jié)構(gòu)不規(guī)則的環(huán)形結(jié)構(gòu)，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，與線性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)境溫度下比線性mRNA更穩(wěn)定，因此，基于環(huán)狀RNA的疫苗可以在沒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，且已開始環(huán)狀RNA新冠疫苗的人體實驗，這也是首次在人體中測試合成的環(huán)狀RNA藥物。而年可能會有其他一些基于環(huán)狀RNA的藥物進入臨床實驗，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攻擊血癌。在今年5月的美國細胞基因治療行業(yè)會議（ASGCT）上，Orna 的科學家們展示了臨床前研究結(jié)果，結(jié)果顯示，注射低劑量的LNP遞送的環(huán)狀RNA到小鼠體內(nèi)，即可再體內(nèi)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，這些環(huán)狀RNA還可以像抗體一樣直接與目標結(jié)合，作為一種被稱為適體（aptamer）的藥物。它們可以捕獲和隔離不同種類的調(diào)節(jié)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(zhuǎn)錄物（mRNA）結(jié)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(zhuǎn)錄本。各個初創(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(xiàn)為中國藥科大學教授），聯(lián)合斯微生物，在國際頂 尖學術(shù)期刊 Nature 發(fā)表論文。通過人工智能（AI）工具來優(yōu)化mRNA疫苗序列，從而幫助創(chuàng)造更有效、更穩(wěn)定的mRNA。

        這項研究不僅為mRNA疫苗提供了一種及時和有前途的工具，而且還為mRNA療法提供了巨大的潛力，有望徹底改變醫(yī)療保健現(xiàn)狀。該研究開發(fā)的線性設計工具——LinearDesign，可以優(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，進一步開發(fā)出了用于環(huán)狀RNA結(jié)構(gòu)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(wěn)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(jù)悉，這是國際上首 個通過人工智能算法優(yōu)化設計環(huán)狀RNA的案例，有望簡化環(huán)狀RNA的序列優(yōu)化設計，提高環(huán)化效率、穩(wěn)定性和蛋白翻譯水平。

        circDesign算法開發(fā)人、LinearDesign共同一作、中國藥科大學張亮教授表示，相比線性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疫苗和藥物的開發(fā)。

環(huán)狀RNA面臨的問題

        環(huán)狀RNA領域不斷取得新進展，但隨著該領域的發(fā)展，也不斷暴露出一些問題。

        今年6月份，環(huán)狀RNA領域融資最多的公司——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(shù)據(jù)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的mRNA療法開發(fā)公司 Strand Therapeutics，他們也曾開發(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！開發(fā)基于環(huán)狀RNA藥物或療法將會面臨的難題數(shù)量難以置信，而人們通常忽略了這一點。

        基于環(huán)狀RNA的藥物的首次人體試驗已于今年8月啟動。但環(huán)狀RNA距離開啟一場藥物開發(fā)的革命，或?qū)崿F(xiàn) Laronde 公司所做的承諾——到本世紀末開發(fā)100款基于環(huán)狀RNA的新藥項目，還有很長的路要走。環(huán)狀RNA的優(yōu)勢是否會使其勝過其它的持久治療方法，例如傳統(tǒng)的基因療法，以及新興的基因編輯療法，仍然是一個正在進行的調(diào)查和科學探究領域。

        但 Alexander Wesselhoeft 仍看好環(huán)狀RNA，他是2018年這篇開創(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(xiàn)在是麻省總醫(yī)院布里格姆基因和細胞治療研究所RNA治療主任。他認為，盡管線性mRNA疫苗取得了巨大成功，但環(huán)狀RNA是未來的發(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