小核酸藥物體外研究整體解決方案
小核酸藥物憑借其獨特的技術特點成為近年來新藥研發領域關注的焦點，是目前發展最為迅猛的基因療法之一。與傳統的小分子藥物和抗體藥物相比，小核酸藥物能夠從源頭進行干預，具有靶點篩選快、治療效率高、不易產生耐藥性、效果持久、藥物毒性低、特異性強、研發成功率高等優點，被認為將帶來“除小分子藥和抗體藥”之外的第三次制藥浪潮。
然而，作為新的一類藥物分子，小核酸藥物極性大、帶電荷、需要借助化學修飾和遞藥系統改善成藥性，因而具有不同于化學小分子和抗體藥物的藥理學特性，為小核酸藥物早期研發帶來新挑戰。基于此，本文將結合小核酸藥物的特點闡述其體外研究方案并提供可能的解決策略，以供參考。
Keywords：Oligonucleotides、siRNA、ASO、Aptamer、miRNA、saRNA、mRNA、AOC、LNP、GalNAc、Cellular Uptake、Endosomal Escape
一、小核酸藥物簡介
小核酸藥物，又稱寡核苷酸藥物（Oligonucleotides, ONs），指長度一般為18-30nt的可成藥的寡核苷酸。小核酸藥物包括小干擾RNA（small interfering RNA, siRNA）、反義寡核苷酸（Antisense oligonucleotide，ASO）、微小RNA（microRNA, miRNA）、小激活RNA（small activating RNA, saRNA）、信使RNA（messenger RNA, mRNA）、核酸適配體（Aptamer）和抗體核酸偶聯藥物（Antibody-oligonucleotide conjugates, AOC）等。當前研究的重點主要集中于ASO、siRNA 和Aptamer這三種小核酸藥物上。不同的寡核苷酸作用機制不同（圖1），它們在發病的不同階段發揮抑制劑的作用，ASO和siRNA作用于靶mRNA水平；Aptamer則直接抑制參與發病蛋白的活性。它們的共同點均為通過干預靶基因的表達以達到實現疾病治療的目的。
圖1 寡核苷酸的作用機制及作用位點
（來源：Delivery of oligonucleotide-based therapeutics: challenges and opportunities）
綜上，獨特的作用機理使得小核酸藥物擁有諸多優勢：治療效率高、靶向特異性強、藥物毒性小、治療領域廣泛等，而且與小分子藥物和抗體藥相比，小核酸藥物研發周期短、不易產生耐藥性、效果持久、研發成功率較高，被認為是繼小分子藥和抗體藥后推動醫藥產業變革的第三代制藥創新技術，已有越來越多的醫藥企業投入到小核酸藥物的創新研發中。
二、小核酸上市藥物現狀
近年來FDA已批準了多款小核酸藥物，主要用于治療罕見病。截至2023年，全球共計有16款小核酸藥物獲批上市，其中，10款為ASO藥物；5款為siRNA藥物，1款是Aptamer藥物。但有2款早期ASO藥物與1款Aptamer藥物由于銷售額過低等原因而退市，目前仍在市場的有8款ASO和5款siRNA藥物。
表1 全球已上市的小核酸藥物一覽
三、小核酸藥物研究難點
小核酸藥物與小分子和抗體藥物相比，分子結構、作用靶標、半衰期、分布、代謝、DDI和免疫原性都存在較大不同，這給小核酸藥物的藥性評價研究帶來了極大的挑戰。
此外，小核酸藥物進入體內發揮作用，需要克服多種障礙，如結構不穩定易被體內的核酸酶降解；分子結構較大且帶負電荷，穿透細胞膜難度大，很難滲透到細胞內發揮藥效；從內吞體逃逸到細胞質中的逃逸效率低；具有免疫原性，激活人體免疫系統反應等。隨著技術發展，以上部分難題已經有較好的解決方法，化學修飾和遞送系統技術的突破對寡核苷酸藥物的發展起到了至關重要的作用。其中化學修飾，如磷酸骨架、核糖、堿基修飾等可以避免核酸藥物被核酸酶降解，而高效安全的遞送系統，如目前應用較成功的遞送系統是脂質納米顆粒(lipid nanoparticle，LNP)包裹技術及與特定配體結合實現靶向遞送(如N-乙酰半乳糖胺，GalNAc)可以使核酸藥物精準地靶向目標細胞并提高細胞攝取效率，使核酸藥物發揮治療功能。
目前，中國國家藥品監督管理局 (NMPA)、歐洲藥品管理局 (EMA) 和美國食品藥品監督管理局 (FDA) 均尚無專門針對寡核苷酸藥物的指導原則和技術指南, NMPA提出寡核苷酸是化學合成藥物, 雖然具備生物制品的屬性, 但仍按新化學實體進行監管。但目前已上市的寡核苷酸藥物通常參考生物大分子對藥物的免疫原性進行的考查。因此在寡核苷酸核酸類藥物的藥代動力學研究中，對新化學實體及大分子涉及的相關實驗都需要考慮，比生物大分子藥物更為復雜。
四、小核酸藥物體外研究解決方案
小核酸藥物的體外研究通常可從體外代謝穩定性、血漿蛋白結合、靶細胞結合和攝取、內體逃逸、靶細胞效應評價、藥物與藥物相互作用（DDI）與遺傳毒性等方面進行考察。
4.1 體外代謝穩定性
與傳統小分子藥物一樣，小核酸藥物在臨床前研究階段，通常需要進行體外代謝穩定性研究。目前所有已上市的小核酸藥物均在申報材料中提交了藥物的體外代謝研究報告，以闡明藥物的代謝行為。小核酸藥物主要被血漿和組織中廣泛存在的核酸內切酶和核酸外切酶所代謝，而不是通過肝臟的Ⅰ相和Ⅱ相代謝酶代謝。核酸外切酶作用于鏈的末端，導致單核苷酸的釋放，而核酸內切酶則在鏈內裂解，產生不同長度的鏈。目前上市的小核酸藥物大部分被肝臟迅速攝取，小部分分布在其他組織，在肝臟或其他組織中經由核酸酶代謝。因此，小核酸藥物的體外代謝穩定性研究，可以采用肝臟代謝系統、血液循環介質、核酸酶及靶組織相關基質等試驗體系。
通過將不同的試驗系統與小核酸藥物共孵育一定時間后檢測，可獲得小核酸藥物在不同系統中的代謝穩定性情況。小核酸藥物的代謝產物可能具有活性或者毒性，所以也需要對其代謝產物進行分析研究。可用LC-MS的方法檢測小核酸原藥或者代謝產物，高分辨率質譜(HRMS)，比如飛行時間質譜TOF，具有較高的分辨率、靈敏度、特異性和質量精確度等特性，可采用全掃描和多種方式的離子掃描對未知代謝產物進行定性或定量分析。樣品前處理可采用液液萃取（Liquid-Liquid Extraction，LLE）和固相萃取（Solid-Phase Extraction，SPE）兩種方式，其中SPE是生物基質中提取小核酸藥物最廣泛使用的方法。將樣品加載到被充分活化之后的SPE柱或板后，用淋洗液將蛋白質等干擾物質洗脫，隨后用洗脫液將寡核苷酸相關組分洗脫下來，用于LC-MS分析。
4.2 血漿蛋白結合
在正常情況下，各種藥物以一定的比率與血漿蛋白結合，在血漿中常同時存在結合型與游離型，而只有游離型藥物才具有藥物活性。血漿蛋白結合率（plasma protein binding, PPB）實驗的主要目的即是測定藥物與血漿蛋白的結合程度，即藥物進入血液后，與血漿蛋白結合的藥量占血液藥物總量的比率。血漿蛋白結合率反映了藥物在體內的分布情況，對于評估藥物的療效和副作用具有重要意義。
血漿蛋白結合對于ASO性能的影響包括組織分布和組織遞送、細胞攝取、細胞內轉運、藥效和毒性。ASO的親水性和序列特征可以影響它的蛋白結合程度及結合速度。低蛋白結合的ASO，其細胞攝取能力也比較低，且腎清除率較高。而對于GalNAc-siRNA來講，尚未有明確報道與血漿蛋白結合的藥理作用及對PK和藥效的影響。但當有以下幾種情形時，需要對其血漿PPB和血液PK之間的關系進行監測：（1）包含新的化學修飾、連接體、配體、賦形劑；（2）包含尚未在臨床批準的藥物中進行檢測的制劑；（3）有理由認為血漿游離藥物濃度可以影響PK、PD和/或安全性。
目前已報道的血漿蛋白結合測定方法中，ASO有超濾法（Ultrafiltration, UF）和超速離心法（Ultracentrifugation, UC），siRNA主要有超濾法和凝膠電泳遷移法(Electrophoretic Mobility Shift Assay，EMSA)。
超濾法可以在純血漿中進行實驗，不必稀釋血漿，同時保證實驗過程中體系的pH接近于生理pH值。超濾法需要注意的是，如果寡核苷酸的分子量接近超濾管過濾器的截留分子量上限，回收率則會偏低。另外，寡核苷酸與小分子量的蛋白發生結合且通過了濾膜，則PPB與真實值會出現偏差。
超速離心法是使用超高速離心沉淀蛋白質和蛋白質結合的藥，通過比較無蛋白上清液和完整的藥物的濃度來計算游離分數。其成本相對較高，在超速離心的作用下可能改變化合物的結合平衡。
EMSA法通常使用天然聚丙烯酰胺凝膠電泳 (PAGE) 或瓊脂糖凝膠電泳，從結合復合物中分離游離的核酸；需要注意的是，樣品需要用專門的上樣溶液對血漿進行稀釋，蛋白結合率的準確度是否會受到稀釋液的組成成分的影響有待考察；另外，核酸染色的靈敏度也會影響最終的結果。
4.3 靶細胞結合和攝取
小核酸藥物必須進入細胞才能發揮藥理作用。藥物與靶細胞表面的蛋白結合，會從血漿中迅速清除，使其直接分布于血管外，被組織攝取，然后，通過組織細胞內吞內化至核內體，然后從早期核內體中釋放出來，進入細胞質或細胞核靶向mRNA，繼而發揮藥效。因此，需要評估小核酸藥物和靶細胞的結合和攝取情況。通常是將小核酸藥物進行熒光標記，然后和靶細胞進行孵育培養，通過共聚焦熒光成像或流式細胞術進行分析。
4.4 內體逃逸（Endosomal Escape）
內體（Endosome），也稱為內涵體或內吞體，是通過細胞膜的內吞過程形成的小囊泡，用于捕獲并運輸細胞外小核酸藥物。當藥物被細胞攝取時，它們經常被包裹在這些內體中。然而，要使藥物在細胞內發揮作用，它們必須從內體中“逃逸”到細胞質或其他細胞器中。如果藥物不能及時從內體中逃逸，內體可能會與溶酶體融合。溶酶體含有能夠分解許多生物分子的酶，這可能導致小核酸藥物被降解，從而失去其治療效果。然而，小核酸藥物的內體逃逸效率較低，內體所含的脂質雙層可能捕獲并保留約99%的RNA分子并導致其降解。據研究，僅有0.3-1%的小RNA偶聯物能夠自內體逃脫進入靶細胞內部，而ASO藥物的內體逃逸效率也僅有1%左右。
因此，在小核酸藥物研發早期，需要評估其內體逃逸效率。試驗模型可選擇人和動物的原代細胞等。通過觀察熒光顯微鏡下細胞內的熒光信號分布，可以判斷在研小核酸藥物是否能夠從溶酶體中逃逸。如果小核酸藥物與溶酶體標記染料完全共定位，說明其主要存在于溶酶體中，尚未發生溶酶體逃逸；如果觀察到在研小核酸藥物的熒光信號分布在溶酶體之外的細胞質或細胞核等區域，且與溶酶體標記染料的分布不完全重疊，則表明其發生了溶酶體逃逸。
此外，還可以通過定量分析熒光強度的方法來進一步評估溶酶體逃逸的效率。例如，使用圖像分析軟件測量細胞內不同區域（如溶酶體、細胞質、細胞核）的熒光強度，并計算在研小核酸藥物在溶酶體和非溶酶體區域的熒光強度比值，從而定量地比較不同實驗組之間溶酶體逃逸的差異。
4.5 靶細胞效應評價（體外藥效學）
體外評價小核酸藥物的靶細胞效應主要是進行靶標mRNA和靶蛋白的評估及細胞表型和功能性干擾的評估。對于mRNA和蛋白質水平的評估可通過RT-qPCR和Western Blot的方法，而細胞表型和功能性干擾的評估主要是考察細胞的增值和凋亡等情況及蛋白質修飾、蛋白-蛋白相互作用等。
4.6 藥物與藥物相互作用（DDI）
小核酸類藥物主要經核酸外切酶或內切酶代謝, 不太可能是CYPP450酶和轉運體的底物、抑制劑和誘導劑。和單抗藥物類似,一般情況下, 小核酸藥物不是必須要開展常規的藥物相互作用研究。PS骨架修飾的ASOs具有較高的血漿蛋白結合率, 但是它和非極性的化學小分子與血漿蛋白結合的位點并不相同,再考慮到血漿蛋白在人體中含量豐富,不太可能因血漿蛋白結合位點的競爭而引起藥物相互作用。如果小核酸藥物靶向的mRNA涉及CYP酶形成的轉錄翻譯上游過程,那就需要開展相應的DDI研究。另外，如果小核酸藥物主要通過腎臟以原形排除，在體外評估寡核苷酸藥物是否為腎臟轉運體底物非常重要。
總體來說，目前缺乏小核酸藥物相關的DDI指導原則，更為提倡像小分子藥物一樣，盡可能多的體外評估其DDI風險。如果申辦方未對小核酸藥物導致的藥物-藥物相互作用進行體外評估，則應給出充分的說明。
4.7 體外遺傳毒性評估
就寡核苷酸自身性質而言，小核酸藥物一般不會引起遺傳毒性，且目前的藥物均為陰性結果，但寡核苷酸安全工作組( OSWG) 遺傳毒理委員會仍認為對于新的寡核苷酸藥物有必要進行遺傳毒性實驗，因為修飾的單體可能從寡核苷酸代謝時釋放出來并整合到DNA中，理論上會導致鏈終止、錯誤編碼和/或錯誤復制或修復；另外，該委員會推薦選用 ICH S2( R1) 指導原則標準“組合 1”考察小核酸藥物的遺傳毒性，即2項體外實驗（細菌回復突變實驗，Bacterial Reverse Mutation Test，即Ames Test + 哺乳動物細胞染色體畸變實驗，In Vitro Mammalian Chromosomal Aberration Test，或小鼠淋巴瘤TK基因突變實驗，TK Gene Mutation Test）與1項體內實驗(體內微核實驗或染色體畸變實驗)
由上可知，小核酸藥物體外研究中多方面會用到細胞模型，比如靶細胞結合和攝取、內體逃逸效率評估及靶細胞效應評價等，因此，合適的細胞模型對于小核酸藥物體外研究至關重要。需要注意的是，小核酸藥物體外研究對于細胞模型提出了新的要求：
肝細胞共培養系統可以延長細胞培養時間，維持增強細胞活性，增加細胞表達量，是理想的siRNA介導的基因敲除研究模型，有助于闡明各研究領域的肝細胞機制以及新型RNA療法的體外安全性和有效性研究。而細胞球狀體（Spheroids）和類器官（Organoids）等3D細胞模型能夠更加準確地模擬體內細胞環境和組織結構，可以體外長時間培養并保持基因穩定性，實現真實的細胞生物學功能，也是小核酸藥物體外研究的理想的細胞模型。
IPHSAE HepatoMaxTM共培養系統模型示意圖
綜上所述，小核酸藥物憑借其獨特的優勢及研發取得的多項突破性成果，已成為全球投資新風口和生物制藥巨頭的必爭之地，將帶來第三次藥物研發浪潮。體外研究在小核酸藥物研發過程中無比重要，IPHASE可提供完整的小核酸藥物體外研究“一站式”解決方案產品，助力廣大科研工作者在此次制藥浪潮中“披荊斬棘，乘風破浪”！
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參考資料：
[1] Suzan M Hammond, Annemieke Aartsma-Rus, Sandra Alves, et al.Delivery of oligonucleotide-based therapeutics: challenges and opportunities. EMBO Molecular Medicine.2021,13: e13243.
[2] Steven F Dowdy. Endosomal escape of RNA therapeutics: How do we solve this rate-limiting problem? RNA, 2023, 29(4):396-401.
[3] 王恒, 李華, 汪溪潔, 等.小核酸藥物非臨床特點和藥理毒理評價策略[J]．中國新藥雜志, 2022, 31(12):1137-1145.
[4] 湯仙閣, 關曉多, 陳銳, 等. 寡核苷酸藥物的臨床藥理學研究進展[J]．藥學學報，2020, 55(2): 218-225.
[5] 藥明康德，《藥物代謝與動力學：前沿、策略與應用實例》。
然而，作為新的一類藥物分子，小核酸藥物極性大、帶電荷、需要借助化學修飾和遞藥系統改善成藥性，因而具有不同于化學小分子和抗體藥物的藥理學特性，為小核酸藥物早期研發帶來新挑戰。基于此，本文將結合小核酸藥物的特點闡述其體外研究方案并提供可能的解決策略，以供參考。
Keywords：Oligonucleotides、siRNA、ASO、Aptamer、miRNA、saRNA、mRNA、AOC、LNP、GalNAc、Cellular Uptake、Endosomal Escape
一、小核酸藥物簡介
小核酸藥物，又稱寡核苷酸藥物（Oligonucleotides, ONs），指長度一般為18-30nt的可成藥的寡核苷酸。小核酸藥物包括小干擾RNA（small interfering RNA, siRNA）、反義寡核苷酸（Antisense oligonucleotide，ASO）、微小RNA（microRNA, miRNA）、小激活RNA（small activating RNA, saRNA）、信使RNA（messenger RNA, mRNA）、核酸適配體（Aptamer）和抗體核酸偶聯藥物（Antibody-oligonucleotide conjugates, AOC）等。當前研究的重點主要集中于ASO、siRNA 和Aptamer這三種小核酸藥物上。不同的寡核苷酸作用機制不同（圖1），它們在發病的不同階段發揮抑制劑的作用，ASO和siRNA作用于靶mRNA水平；Aptamer則直接抑制參與發病蛋白的活性。它們的共同點均為通過干預靶基因的表達以達到實現疾病治療的目的。
圖1 寡核苷酸的作用機制及作用位點
（來源：Delivery of oligonucleotide-based therapeutics: challenges and opportunities）
綜上，獨特的作用機理使得小核酸藥物擁有諸多優勢：治療效率高、靶向特異性強、藥物毒性小、治療領域廣泛等，而且與小分子藥物和抗體藥相比，小核酸藥物研發周期短、不易產生耐藥性、效果持久、研發成功率較高，被認為是繼小分子藥和抗體藥后推動醫藥產業變革的第三代制藥創新技術，已有越來越多的醫藥企業投入到小核酸藥物的創新研發中。
二、小核酸上市藥物現狀
近年來FDA已批準了多款小核酸藥物，主要用于治療罕見病。截至2023年，全球共計有16款小核酸藥物獲批上市，其中，10款為ASO藥物；5款為siRNA藥物，1款是Aptamer藥物。但有2款早期ASO藥物與1款Aptamer藥物由于銷售額過低等原因而退市，目前仍在市場的有8款ASO和5款siRNA藥物。
表1 全球已上市的小核酸藥物一覽
| 分類 | 獲批時間 | 靶點 | 遞送系統 | 適應癥 | ||
| ASO |
Vitavene | Lonis/Novartis | 1998(已退市) | CMV UL123 | / |
巨細胞病毒視網膜炎 |
| Kynamro | Lonis/Sanofi | 2013(已退市) | Apo B-100 | 純合子家族性高膽固醇血癥 | ||
| Spinraza | Lonis/Biogen | 2016 | Exon 7 of SMN2 | 脊髓性肌萎縮癥 | ||
| Exondys 51 | Sarepta | 2016 | Exon 51 of DMD | 杜氏肌營養不良癥 | ||
| Tegsedi | Lonis | 2018 | TTR | 家族性淀粉樣多發性神經病變 | ||
| Vaylivra | Lonis | 2019 | ApoC Ш | 家族性乳糜微粒血癥 | ||
| Vyondys 53 | Sarepta | 2019 | Exon 53 of DMD | 杜氏肌營養不良癥 | ||
| Viltepso | 日本新藥株式會社 | 2020 | Exon 53 of DMD | 杜氏肌營養不良癥 | ||
| Amondys 45 | Sarepta | 2021 | Exon 45 of DMD | 杜氏肌營養不良癥 | ||
| Tofersen | Biogen | 2023 | SOD1 | 肌萎縮側索硬化 | ||
| siRNA |
Onpattro | Alnylam | 2018 | TTR | LNP | 家族性淀粉樣多發性神經病變 |
| Givlaari | Alnylam | 2019 | ALAS1 | GalNAc | 急性肝卟啉癥 | |
| Oxlumo | Alnylam | 2020 | HAO1 | GalNAc | 原發性高草酸尿癥1型 | |
| Legvio | Alnylam/Novartis | 2020 | PCSK9 | GalNAc | 高膽固醇血癥 | |
| Amvuttra | Alnylam | 2022 | TTR | GalNAc | 淀粉樣變性的多發性神經病變 | |
| Aptamer | Macugen | Pfizer/Eyetech | 2004(已退市) | VEGF-165 | PEG | 新生血管性年齡相關性光斑變性 |
三、小核酸藥物研究難點
小核酸藥物與小分子和抗體藥物相比，分子結構、作用靶標、半衰期、分布、代謝、DDI和免疫原性都存在較大不同，這給小核酸藥物的藥性評價研究帶來了極大的挑戰。
| 特性 | 小分子 | 抗體 | 寡核苷酸 | |
| ASO | SiRNA | |||
| 分子量 | ~200-500Da | ~150,000Da | 6000-10,000Da | 12,000-13,300Da |
| 靶點 | 蛋白 | 蛋白 | 通過靶向mRNA，間接調控各類蛋白表達 | |
| 作用部位 | 細胞內和細胞外 | 細胞外 | 細胞內 | |
| 遞送 | / | / | 細胞內吞 | 有限，需要遞送系統 |
| 半衰期 | 較短，以小時計 | 中等，幾天至一周 | 組織半衰期較長，以月計 | |
| 分布 | 組織/器官 | 血漿/細胞外液 | 廣泛分布于腎臟和肝臟 | |
| 代謝 | 主要通過CYP和Ⅱ相酶 | 肽/aa | 通過核酸酶代謝為較短核酸片段 | |
| 藥物相互作用 | 高風險 | 少 | 低風險，少與CYPs、轉運蛋白相互作用 | |
| 免疫原性 | 無 | 有，影響大 | 有，對PK、PD影響小 | |
| 脫靶毒性 | 高 | 少 | 有可能脫靶 | |
此外，小核酸藥物進入體內發揮作用，需要克服多種障礙，如結構不穩定易被體內的核酸酶降解；分子結構較大且帶負電荷，穿透細胞膜難度大，很難滲透到細胞內發揮藥效；從內吞體逃逸到細胞質中的逃逸效率低；具有免疫原性，激活人體免疫系統反應等。隨著技術發展，以上部分難題已經有較好的解決方法，化學修飾和遞送系統技術的突破對寡核苷酸藥物的發展起到了至關重要的作用。其中化學修飾，如磷酸骨架、核糖、堿基修飾等可以避免核酸藥物被核酸酶降解，而高效安全的遞送系統，如目前應用較成功的遞送系統是脂質納米顆粒(lipid nanoparticle，LNP)包裹技術及與特定配體結合實現靶向遞送(如N-乙酰半乳糖胺，GalNAc)可以使核酸藥物精準地靶向目標細胞并提高細胞攝取效率，使核酸藥物發揮治療功能。
目前，中國國家藥品監督管理局 (NMPA)、歐洲藥品管理局 (EMA) 和美國食品藥品監督管理局 (FDA) 均尚無專門針對寡核苷酸藥物的指導原則和技術指南, NMPA提出寡核苷酸是化學合成藥物, 雖然具備生物制品的屬性, 但仍按新化學實體進行監管。但目前已上市的寡核苷酸藥物通常參考生物大分子對藥物的免疫原性進行的考查。因此在寡核苷酸核酸類藥物的藥代動力學研究中，對新化學實體及大分子涉及的相關實驗都需要考慮，比生物大分子藥物更為復雜。
四、小核酸藥物體外研究解決方案
小核酸藥物的體外研究通常可從體外代謝穩定性、血漿蛋白結合、靶細胞結合和攝取、內體逃逸、靶細胞效應評價、藥物與藥物相互作用（DDI）與遺傳毒性等方面進行考察。
4.1 體外代謝穩定性
與傳統小分子藥物一樣，小核酸藥物在臨床前研究階段，通常需要進行體外代謝穩定性研究。目前所有已上市的小核酸藥物均在申報材料中提交了藥物的體外代謝研究報告，以闡明藥物的代謝行為。小核酸藥物主要被血漿和組織中廣泛存在的核酸內切酶和核酸外切酶所代謝，而不是通過肝臟的Ⅰ相和Ⅱ相代謝酶代謝。核酸外切酶作用于鏈的末端，導致單核苷酸的釋放，而核酸內切酶則在鏈內裂解，產生不同長度的鏈。目前上市的小核酸藥物大部分被肝臟迅速攝取，小部分分布在其他組織，在肝臟或其他組織中經由核酸酶代謝。因此，小核酸藥物的體外代謝穩定性研究，可以采用肝臟代謝系統、血液循環介質、核酸酶及靶組織相關基質等試驗體系。
| 實驗體系 | 優點 | 缺點 | 應用 | |
| 肝臟代謝系統 | 肝S9 | 含有肝組織中大部分酶且容易獲取。 | 核酸酶濃度較低，和肝臟成分差異較大。 | 一定程度上可代替肝組織勻漿使用。 |
| 肝組織勻漿 | 通過肝組織破碎并均質化獲得，含有肝組織中的各種藥物代謝酶，對小核酸的代謝能力強。 | 人肝組織勻漿難以獲取。 | 比較推薦的小核酸藥物體外代謝穩定性研究體系。 | |
| 肝溶酶體 | 溶酶體是小核酸藥物進入細胞后的主要接觸的環境，酸性的溶酶體(pH 4.5-5.0)具有豐富的酶體系，包括核酸酶和各種水解酶等，是小核酸代謝的重要場所；目前上市的siRNA藥物使用較多的是GalNAc遞送系統，而酸性的溶酶體環境更有利于GalNAc的水解。 | 溶酶體是特定的亞細胞結構，具有一定的局限性。 | 推薦的小核酸藥物體外代謝穩定性研究體系，對于小核酸藥物穩定性評價具有重要意義。 | |
| 原代肝細胞 | 酶體系最為完善 | 細胞膜結構會阻礙滲透性差的小核酸藥物的代謝。 | 適用于肝靶向的小核酸藥物代謝評價。 | |
| 肝微粒體 | CYP酶含量高 | 核酸酶活性較低 | 可以根據實際情況進行選擇 | |
| 循環系統介質 | 血漿/血清 | 血漿中含有豐富的核酸酶，可模擬藥物在體內循環系統的穩定性。 | 金屬螯合劑抗凝的血漿不適合代謝穩定性研究。 | 是評價小核酸藥物體外代謝穩定性的常用體系。 |
| 核酸酶 | DNase I， Exonuclease I ，Nuclease P1 | 純酶體系，干擾因素少。 | 單一酶體系，與體內真實代謝情況差異較大。 | 可用于早期新的化學修飾對于小核酸藥物代謝穩定性評價。 |
| 靶組織相關基質 | 肝臟之外的其他組織基質，如腦脊液，腦組織勻漿，腎組織勻漿等。 | 與藥效直接相關的體外研究體系。 | 人體基質難以獲取 | 預測小核酸藥物在靶組織的代謝行為。 |
通過將不同的試驗系統與小核酸藥物共孵育一定時間后檢測，可獲得小核酸藥物在不同系統中的代謝穩定性情況。小核酸藥物的代謝產物可能具有活性或者毒性，所以也需要對其代謝產物進行分析研究。可用LC-MS的方法檢測小核酸原藥或者代謝產物，高分辨率質譜(HRMS)，比如飛行時間質譜TOF，具有較高的分辨率、靈敏度、特異性和質量精確度等特性，可采用全掃描和多種方式的離子掃描對未知代謝產物進行定性或定量分析。樣品前處理可采用液液萃取（Liquid-Liquid Extraction，LLE）和固相萃取（Solid-Phase Extraction，SPE）兩種方式，其中SPE是生物基質中提取小核酸藥物最廣泛使用的方法。將樣品加載到被充分活化之后的SPE柱或板后，用淋洗液將蛋白質等干擾物質洗脫，隨后用洗脫液將寡核苷酸相關組分洗脫下來，用于LC-MS分析。
4.2 血漿蛋白結合
在正常情況下，各種藥物以一定的比率與血漿蛋白結合，在血漿中常同時存在結合型與游離型，而只有游離型藥物才具有藥物活性。血漿蛋白結合率（plasma protein binding, PPB）實驗的主要目的即是測定藥物與血漿蛋白的結合程度，即藥物進入血液后，與血漿蛋白結合的藥量占血液藥物總量的比率。血漿蛋白結合率反映了藥物在體內的分布情況，對于評估藥物的療效和副作用具有重要意義。
血漿蛋白結合對于ASO性能的影響包括組織分布和組織遞送、細胞攝取、細胞內轉運、藥效和毒性。ASO的親水性和序列特征可以影響它的蛋白結合程度及結合速度。低蛋白結合的ASO，其細胞攝取能力也比較低，且腎清除率較高。而對于GalNAc-siRNA來講，尚未有明確報道與血漿蛋白結合的藥理作用及對PK和藥效的影響。但當有以下幾種情形時，需要對其血漿PPB和血液PK之間的關系進行監測：（1）包含新的化學修飾、連接體、配體、賦形劑；（2）包含尚未在臨床批準的藥物中進行檢測的制劑；（3）有理由認為血漿游離藥物濃度可以影響PK、PD和/或安全性。
目前已報道的血漿蛋白結合測定方法中，ASO有超濾法（Ultrafiltration, UF）和超速離心法（Ultracentrifugation, UC），siRNA主要有超濾法和凝膠電泳遷移法(Electrophoretic Mobility Shift Assay，EMSA)。
超濾法可以在純血漿中進行實驗，不必稀釋血漿，同時保證實驗過程中體系的pH接近于生理pH值。超濾法需要注意的是，如果寡核苷酸的分子量接近超濾管過濾器的截留分子量上限，回收率則會偏低。另外，寡核苷酸與小分子量的蛋白發生結合且通過了濾膜，則PPB與真實值會出現偏差。
超速離心法是使用超高速離心沉淀蛋白質和蛋白質結合的藥，通過比較無蛋白上清液和完整的藥物的濃度來計算游離分數。其成本相對較高，在超速離心的作用下可能改變化合物的結合平衡。
EMSA法通常使用天然聚丙烯酰胺凝膠電泳 (PAGE) 或瓊脂糖凝膠電泳，從結合復合物中分離游離的核酸；需要注意的是，樣品需要用專門的上樣溶液對血漿進行稀釋，蛋白結合率的準確度是否會受到稀釋液的組成成分的影響有待考察；另外，核酸染色的靈敏度也會影響最終的結果。
4.3 靶細胞結合和攝取
小核酸藥物必須進入細胞才能發揮藥理作用。藥物與靶細胞表面的蛋白結合，會從血漿中迅速清除，使其直接分布于血管外，被組織攝取，然后，通過組織細胞內吞內化至核內體，然后從早期核內體中釋放出來，進入細胞質或細胞核靶向mRNA，繼而發揮藥效。因此，需要評估小核酸藥物和靶細胞的結合和攝取情況。通常是將小核酸藥物進行熒光標記，然后和靶細胞進行孵育培養，通過共聚焦熒光成像或流式細胞術進行分析。
4.4 內體逃逸（Endosomal Escape）
內體（Endosome），也稱為內涵體或內吞體，是通過細胞膜的內吞過程形成的小囊泡，用于捕獲并運輸細胞外小核酸藥物。當藥物被細胞攝取時，它們經常被包裹在這些內體中。然而，要使藥物在細胞內發揮作用，它們必須從內體中“逃逸”到細胞質或其他細胞器中。如果藥物不能及時從內體中逃逸，內體可能會與溶酶體融合。溶酶體含有能夠分解許多生物分子的酶，這可能導致小核酸藥物被降解，從而失去其治療效果。然而，小核酸藥物的內體逃逸效率較低，內體所含的脂質雙層可能捕獲并保留約99%的RNA分子并導致其降解。據研究，僅有0.3-1%的小RNA偶聯物能夠自內體逃脫進入靶細胞內部，而ASO藥物的內體逃逸效率也僅有1%左右。
因此，在小核酸藥物研發早期，需要評估其內體逃逸效率。試驗模型可選擇人和動物的原代細胞等。通過觀察熒光顯微鏡下細胞內的熒光信號分布，可以判斷在研小核酸藥物是否能夠從溶酶體中逃逸。如果小核酸藥物與溶酶體標記染料完全共定位，說明其主要存在于溶酶體中，尚未發生溶酶體逃逸；如果觀察到在研小核酸藥物的熒光信號分布在溶酶體之外的細胞質或細胞核等區域，且與溶酶體標記染料的分布不完全重疊，則表明其發生了溶酶體逃逸。
此外，還可以通過定量分析熒光強度的方法來進一步評估溶酶體逃逸的效率。例如，使用圖像分析軟件測量細胞內不同區域（如溶酶體、細胞質、細胞核）的熒光強度，并計算在研小核酸藥物在溶酶體和非溶酶體區域的熒光強度比值，從而定量地比較不同實驗組之間溶酶體逃逸的差異。
4.5 靶細胞效應評價（體外藥效學）
體外評價小核酸藥物的靶細胞效應主要是進行靶標mRNA和靶蛋白的評估及細胞表型和功能性干擾的評估。對于mRNA和蛋白質水平的評估可通過RT-qPCR和Western Blot的方法，而細胞表型和功能性干擾的評估主要是考察細胞的增值和凋亡等情況及蛋白質修飾、蛋白-蛋白相互作用等。
4.6 藥物與藥物相互作用（DDI）
小核酸類藥物主要經核酸外切酶或內切酶代謝, 不太可能是CYPP450酶和轉運體的底物、抑制劑和誘導劑。和單抗藥物類似,一般情況下, 小核酸藥物不是必須要開展常規的藥物相互作用研究。PS骨架修飾的ASOs具有較高的血漿蛋白結合率, 但是它和非極性的化學小分子與血漿蛋白結合的位點并不相同,再考慮到血漿蛋白在人體中含量豐富,不太可能因血漿蛋白結合位點的競爭而引起藥物相互作用。如果小核酸藥物靶向的mRNA涉及CYP酶形成的轉錄翻譯上游過程,那就需要開展相應的DDI研究。另外，如果小核酸藥物主要通過腎臟以原形排除，在體外評估寡核苷酸藥物是否為腎臟轉運體底物非常重要。
總體來說，目前缺乏小核酸藥物相關的DDI指導原則，更為提倡像小分子藥物一樣，盡可能多的體外評估其DDI風險。如果申辦方未對小核酸藥物導致的藥物-藥物相互作用進行體外評估，則應給出充分的說明。
4.7 體外遺傳毒性評估
就寡核苷酸自身性質而言，小核酸藥物一般不會引起遺傳毒性，且目前的藥物均為陰性結果，但寡核苷酸安全工作組( OSWG) 遺傳毒理委員會仍認為對于新的寡核苷酸藥物有必要進行遺傳毒性實驗，因為修飾的單體可能從寡核苷酸代謝時釋放出來并整合到DNA中，理論上會導致鏈終止、錯誤編碼和/或錯誤復制或修復；另外，該委員會推薦選用 ICH S2( R1) 指導原則標準“組合 1”考察小核酸藥物的遺傳毒性，即2項體外實驗（細菌回復突變實驗，Bacterial Reverse Mutation Test，即Ames Test + 哺乳動物細胞染色體畸變實驗，In Vitro Mammalian Chromosomal Aberration Test，或小鼠淋巴瘤TK基因突變實驗，TK Gene Mutation Test）與1項體內實驗(體內微核實驗或染色體畸變實驗)
由上可知，小核酸藥物體外研究中多方面會用到細胞模型，比如靶細胞結合和攝取、內體逃逸效率評估及靶細胞效應評價等，因此，合適的細胞模型對于小核酸藥物體外研究至關重要。需要注意的是，小核酸藥物體外研究對于細胞模型提出了新的要求：
- GalNAc-siRNA需要2-3周才能達到最大的RNAi反應；
- 常規2D培養的細胞其靶基因表達模式發生改變；
- 常規2D培養的原代肝細胞其ASGPR表達模式改變；
- 靶細胞效應評價：常規2D培養的細胞不能完全代表體內細胞的表型。
肝細胞共培養系統可以延長細胞培養時間，維持增強細胞活性，增加細胞表達量，是理想的siRNA介導的基因敲除研究模型，有助于闡明各研究領域的肝細胞機制以及新型RNA療法的體外安全性和有效性研究。而細胞球狀體（Spheroids）和類器官（Organoids）等3D細胞模型能夠更加準確地模擬體內細胞環境和組織結構，可以體外長時間培養并保持基因穩定性，實現真實的細胞生物學功能，也是小核酸藥物體外研究的理想的細胞模型。
IPHSAE HepatoMaxTM共培養系統模型示意圖
綜上所述，小核酸藥物憑借其獨特的優勢及研發取得的多項突破性成果，已成為全球投資新風口和生物制藥巨頭的必爭之地，將帶來第三次藥物研發浪潮。體外研究在小核酸藥物研發過程中無比重要，IPHASE可提供完整的小核酸藥物體外研究“一站式”解決方案產品，助力廣大科研工作者在此次制藥浪潮中“披荊斬棘，乘風破浪”！
| 小核酸體外研究方向 | 產品類別 | 產品名稱 | 規格 |
| 體外代謝穩定性 |
肝S9（Liver S9 Fraction） | 人/猴/犬/兔/大鼠/小鼠/小型豬 肝S9 | 0.5mL,20mg/mL |
| 酸化肝勻漿液（Liver Homogenate，PH 6.0） | 人/猴/犬/大鼠/小鼠 酸化肝勻漿液 | 10mL,0.2g/mL | |
| 肝溶酶體（Liver Lysosome） | 人/猴/犬/兔/大鼠/小鼠 肝溶酶體 | 250μL,2mg/ml | |
| 原代肝細胞（Primary Hepatocytes） | 人/猴/犬/大鼠/小鼠/金黃地鼠/小型豬/兔 原代肝細胞 | 2/5 million | |
| 肝微粒體（Liver Microsomes） | 人/猴/犬/兔/大鼠/小鼠 肝溶酶體 | 0.5mL,20mg/mL | |
| 血漿/血清（Plasma/Serum） | 空白人/猴/犬/兔/大鼠/小鼠 血漿（穩定性專用） | 5mL | |
| 靶組織相關基質（Biological Matrix） |
猴/犬/大鼠/小型豬 腦脊液 | 1mL | |
| 猴/兔 玻璃體液 | 1mL | ||
| 猴/兔/小型豬 房水 | 1mL | ||
| 人/猴/犬/兔/大鼠/小鼠 尿液 | 1/2/10 mL | ||
| 食蟹猴 心/肝/脾/肺/腎/腦 組織勻漿液 | 10mL | ||
| 定制空白生物基質 | Customize | ||
| 血漿蛋白結合 | 血漿（Plasma, PPB) | 空白人/猴/犬/兔/大鼠/小鼠 血漿（PPB專用） | 5mL |
| 靶細胞結合和攝取 | 原代肝細胞（Primary Hepatocytes） | 人/猴/犬/大鼠/小鼠/金黃地鼠/小型豬/兔 原代肝細胞 | 2/5 million |
| 原代肝細胞共培養系統 （Co-culture） |
人/猴/犬/大鼠/小鼠 原代肝細胞共培養試劑盒 | 24/48/96 Wells | |
| 內體逃逸 | 原代肝細胞（Primary Hepatocytes） | 人/猴/犬/大鼠/小鼠/金黃地鼠/小型豬/兔 原代肝細胞 | 2/5 million |
| 靶細胞效應評價 |
原代肝細胞（Primary Hepatocytes） | 人/猴/犬/大鼠/小鼠/金黃地鼠/小型豬/兔 原代肝細胞 | 2/5 million |
| 原代肝細胞共培養系統 （Co-culture） |
人/猴/犬/大鼠/小鼠 原代肝細胞共培養試劑盒 | 24/48/96 Wells | |
| 球狀體（Spheroids） | 超低吸附培養板（U底/平底） | 96 wells，1/5個 | |
| 類器官（Organoids） | 基質膠 | 1/5/10 mL | |
| 培養基 | 500mL | ||
| 藥物與藥物相互作用（DDI) |
重組CYP酶 （Recombinant CYP enzyme） | 人CYP1A1+/1A2+/2A6+2B6+/2C8+/2C9+/ 2C19+/2D6+/2E1+/3A4+/+3A5+ 還原酶重組酶 |
0.5mL, 0.5nmoL |
| 重組UGT酶（Recombinant UGT enzyme） | 人UGT1A1/1A3/1A4/1A6/1A7/1A8/1A9/1A10/ 2B7/2B15/2B17 重組酶 |
0.5mL, 5mg/mL | |
| ABC轉運體囊泡(Human ABC Vesicles） | 人BCRP/MRP1（P-gp）/ 空載囊泡 | 0.5mL，5mg/mL | |
| SLC轉運體細胞(Human SLC Transporter Cells） | 人OATP1B1/OAT1/OAT3/OCT2/OATP1B3/ MATE1/MATE2-K SLC轉運體細胞/MOCK/HEK293F細胞 |
8-10million | |
| 體外遺傳毒性 評估 |
細菌回復突變試驗（Bacterial Reverse Mutation Test，即Ames Test） | 遺傳毒性Ames試劑盒 | 單菌/兩菌/四菌/五菌版 |
| 哺乳動物染色體畸變試驗（In Vitro Mammalian Chromosomal Aberration Test） | 體外染色體畸變試劑盒 | 5mL*30 test | |
| 小鼠淋巴瘤TK基因突變試驗（TK Gene Mutation Test） | TK基因突變試劑盒 | 20mL*36 test |
IPHASE/匯智和源憑借多年的研發經驗，推出了多領域、多種類的高端科研試劑，為藥物早期研發提供篩選工具，為生命科學領域的探索提供新材料、新方法和新手段，為食品、藥品、化學品等的遺傳毒性研究提供便捷產品，望廣大科研工作者來電咨詢，咨詢熱線400-127-6686。
參考資料：
[1] Suzan M Hammond, Annemieke Aartsma-Rus, Sandra Alves, et al.Delivery of oligonucleotide-based therapeutics: challenges and opportunities. EMBO Molecular Medicine.2021,13: e13243.
[2] Steven F Dowdy. Endosomal escape of RNA therapeutics: How do we solve this rate-limiting problem? RNA, 2023, 29(4):396-401.
[3] 王恒, 李華, 汪溪潔, 等.小核酸藥物非臨床特點和藥理毒理評價策略[J]．中國新藥雜志, 2022, 31(12):1137-1145.
[4] 湯仙閣, 關曉多, 陳銳, 等. 寡核苷酸藥物的臨床藥理學研究進展[J]．藥學學報，2020, 55(2): 218-225.
[5] 藥明康德，《藥物代謝與動力學：前沿、策略與應用實例》。
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