Nature：為什么環狀RNA會是下一代重磅藥物？

　　基于RNA的疫苗是COVID-19大流行中的英雄，它們創下了歷史上最快疫苗開發時間的記錄，從開發到獲FDA批準上市僅僅用時一年時間。

　　而最近，mRNA技術更是獲得了諾貝爾獎的認可，Katalin Karikó 和 Drew Weissman 因發現了核苷堿基修飾，從而開發出了有效的mRNA疫苗來對抗COVID-19，而獲得了2023年諾貝爾生理學或醫學獎。

　　我們很早就知道，RNA技術有一個關鍵的缺陷——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，細胞內的核酸酶就會把他們降解掉。RNA這種轉瞬即逝的性質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，就能引發免疫反應。

　　但是，對于大多數治療應用來說，最好是能讓RNA留存的時間更長。而這是環狀RNA（circRNA）的一個優勢——其共價閉合環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的壽命。理論上，即使在低劑量水平上，環狀RNA也能增治療潛力。

　　環狀RNA的發現和發展

　　1976年，環狀RNA（circRNA）首次被發現，但當時被認為是細胞內mRNA剪接錯誤帶來的副產物。2013年，Nature 期刊同期發表兩篇環狀RNA研究論文，指出環狀RNA是一類具有調控作用的非編碼RNA，通過作為miRNA的海綿（sponge）來調控其他基因表達。這讓沉寂30多年的環狀RNA一鳴驚人，成為新一代明星分子，并陸續被發現在細胞分化、組織穩態、疾病發展，以及免疫代謝中發揮重要調節作用。

　　2018年7月，是環狀RNA發展史上的一個關鍵轉折點，麻省理工學院（MIT）的 Daniel Anderson 等人在 Nature Communications 期刊發表論文，首次證實工程化的環狀RNA可在真核細胞中穩定、高效表達蛋白，開創了外源環狀RNA在真核細胞中表達蛋白的新應用，也證明了環狀RNA是線性mRNA的有效替代品。

　　環狀RNA創業熱潮

　　基于上述研究，Daniel Anderson 創立了世界首家利用環狀RNA開發新療法的公司 ——Orna Therapeutics。該公司的核心技術在于其開發RNA環化技術，他們實現了超長環狀RNA構建，將編碼杜氏肌營養不良（DMD）所缺乏的肌營養不良蛋白（Dystrophin）的mRNA實現環化，該mRNA長達12000個核苷酸。

　　但 Orna 并非唯一一家致力于開發環化技術的初創公司，還有一些公司正在采用不同的方法來構建環狀RNA。例如，Torque Bio公司是將產生環狀RNA的指令放到病毒中，讓其細胞內部剪接產生環狀RNA。Chimera Therapeutics 公司則使用基因工程細菌來生成環狀RNA。

　　此外，還有兩家來自中國的初創公司，環碼生物和科銳邁德，這兩家公司去年分別在預印本發表論文，開發了新型RNA環化技術。

　　目前，已有十幾家工程化環狀RNA公司創立，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，一些大型制藥企業也開始涉足環狀RNA技術。他們相信，線性RNA能做的，環狀RNA也能做，甚至能做的更好。

　　環狀RNA的優勢與進展

　　談及環狀RNA的優勢，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。

　　2022年7月，張元豪團隊在 Nature Biotechnology 期刊發表論文，該研究通過多處優化設計，成功環狀RNA翻譯表達的蛋白質產量提高了數百倍，可在體內實現有效且持久的蛋白質生產。

　　之后，張元豪與mRNA技術先驅、2023年諾貝爾生理學或醫學獎得主Drew Weissman等人創立了一家名為 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。

　　環狀RNA技術的支持者預計，環狀RNA將成為制藥行業的首選RNA平臺，并可能開啟下一代疫苗、罕見疾病療法，以及抗癌藥等產品。

　　將環狀RNA開發為療法時，我們需要去除成環過程中的額外序列，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新中心的陳玲玲研究員認為，這其實取決于構建環狀RNA的具體方式。她于2021年11月在 Molecular Cell 期刊發表的研究顯示，在構建環狀RNA時，自剪接基序留下的序列會扭曲RNA折疊，從而導致結構不規則的環形結構，從而引發免疫反應。

　　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 期刊發表論文，該研究在小鼠和猴子上證實，與線性mRNA疫苗相比，環狀RNA疫苗誘導產生了更多的中和抗體，以及更有效的T細胞反應。此外，環狀RNA在環境溫度下比線性mRNA更穩定，因此，基于環狀RNA的疫苗可以在沒有冷鏈的情況下儲存和運輸。

　　魏文勝教授創立了圓因生物，且已開始環狀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狀RNA藥物。而年可能會有其他一些基于環狀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年開始一項環狀RNA療法的臨床試驗，這款環狀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會議（ASGCT）上，Orna 的科學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。

　　合成的環狀RNA不僅可以編碼治療性蛋白質。當它們折疊成特定形狀時，這些環狀RNA還可以像抗體一樣直接與目標結合，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節分子，有效地將其從細胞環境中清除。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。各個初創公司正在積極探索這些應用。

　　人工智能助力環狀RNA研究

　　2023年5月，百度美國研究院黃亮、張亮（現為中國藥科大學教授），聯合斯微生物，在國際頂尖學術期刊 Nature 發表論文。通過人工智能（AI）工具來優化mRNA疫苗序列，從而幫助創造更有效、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。該研究開發的線性設計工具——LinearDesign，可以優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 發表論文，進一步開發出了用于環狀RNA結構預測與序列設計算法平臺——circDesign。

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

　　據悉，這是國際上首個通過人工智能算法優化設計環狀RNA的案例，有望簡化環狀RNA的序列優化設計，提高環化效率、穩定性和蛋白翻譯水平。

　　circDesign算法開發人、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，希望人工智能技術能夠加速RNA疫苗和藥物的開發。

　　環狀RNA面臨的問題

　　環狀RNA領域不斷取得新進展，但隨著該領域的發展，也不斷暴露出一些問題。

　　今年6月份，環狀RNA領域融資最多的公司——Laronde，其核心研究項目——使用環狀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狀RNA潛力的懷疑。

　　一家基于合成生物學的mRNA療法開發公司 Strand Therapeutics，他們也曾開發基于環狀RNA的療法，但該公司的聯合創始人兼CEO Jake Becraft 博士表示：環狀RNA就是垃圾！開發基于環狀RNA藥物或療法將會面臨的難題數量難以置信，而人們通常忽略了這一點。

　　基于環狀RNA的藥物的首次人體試驗已于今年8月啟動。但環狀RNA距離開啟一場藥物開發的革命，或實現 Laronde 公司所做的承諾——到本世紀末開發100款基于環狀RNA的新藥項目，還有很長的路要走。環狀RNA的優勢是否會使其勝過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，仍然是一個正在進行的調查和科學探究領域。

　　但 Alexander Wesselhoeft 仍看好環狀RNA，他是2018年這篇開創了外源環狀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 公司的聯合創始人，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，盡管線性mRNA疫苗取得了巨大成功，但環狀RNA是未來的發展方向，將是RNA治療技術的首選。