Nature | miRNA获诺奖加冕，能否带来医疗革命？

生物探索

2024-10-12 16:35发布于江苏科学领域创作者

图片

引言

微小RNA(microRNA, miRNA)作为一种重要的基因表达调控分子，自其发现以来便引起了科学界的广泛关注，并在2024年获得了诺贝尔生理学或医学奖。这一奖项的颁发无疑是对miRNA在生物学领域所做贡献的高度肯定。然而，尽管miRNA的发现和功能研究已取得显著进展，将其转化为有效的临床治疗手段仍面临着巨大挑战。（10月9日 Nature “MicroRNAs won the Nobel — will they ever be useful as medicines?”）

图片
miRNA的发现与生物学功能
miRNA的发现始于1993年，当时在模式生物线虫(Caenorhabditis elegans)中首次鉴定出miRNA作为基因表达的调控因子。Reinhart等人在1993年的研究中发现了lin-4，这是第一个被鉴定的miRNA，其通过抑制线虫发育过程中lin-14基因的表达来调控其发育过程。此后，科学家们在人体基因组中也鉴定出了数百种miRNA，例如miR-21、miR-34和miR-122，这些miRNA在多种生物过程中发挥关键作用。例如，miR-21与癌症的发生和发展密切相关，其在多种肿瘤中呈现上调并与肿瘤的侵袭和转移有关；miR-122主要在肝脏中表达，调控肝脏脂质代谢并在丙型肝炎病毒(HCV)感染中发挥重要作用。然而，尽管miRNA在生物学中的重要性不断显现，至今仍未有基于miRNA的药物获得美国食品药品监督管理局(US Food and Drug Administration, FDA)的批准，使得这一领域的发展陷入了某种瓶颈。
miRNA的生物学功能在多个系统和细胞过程中得到了深入研究。例如，miR-15和miR-16在调控细胞凋亡过程中扮演着重要角色，它们的下调与多种癌症类型的抗凋亡特性相关。此外，miR-155在免疫细胞的分化和活化过程中发挥关键作用，其异常表达与多种免疫性疾病和癌症的发生密切相关。这些发现为我们理解miRNA在生物系统中的复杂作用机制提供了重要线索。


miRNA的基因表达调控机制
miRNA作为一种非编码RNA(non-coding RNA)，其长度通常为约22个核苷酸，能够通过与靶mRNA的3'非翻译区(3' untranslated region, 3' UTR)结合，从而抑制基因的翻译或促进mRNA的降解。这种调控机制使得miRNA在细胞分化、增殖、凋亡等多种生物过程中发挥重要作用。然而，正是由于miRNA在基因表达调控中的广泛作用，其作为药物的开发也面临着诸多挑战。
miRNA的调控机制不仅仅局限于基因的翻译抑制，它们还可能通过与其他非编码RNA相互作用，形成复杂的基因调控网络。例如，研究发现，miRNA与长链非编码RNA(long non-coding RNA, lncRNA)之间的相互作用在调控基因表达方面具有重要意义，这种复杂的网络调控使得miRNA的作用更加多样化，并且也为开发基于miRNA的治疗手段提供了新的挑战和机遇。

miRNA药物开发的挑战
miRNA药物开发的主要挑战之一在于其递送系统和安全性问题。在最初的miR-34临床试验中，研究人员发现难以有效将miRNA递送至靶组织，同时面临如何避免不良免疫反应的难题。miRNA分子本身易被体内的核酸酶降解，因此需要特殊的递送系统，如脂质纳米颗粒(lipid nanoparticles, LNPs)或聚合物载体(polymer carriers)来保护miRNA并将其递送至靶细胞。研究表明，在使用LNPs递送miR-34的试验中，药物在小鼠体内的半衰期延长了约3倍，这显著提高了其在肿瘤部位的积累。
miR-34作为一种具有抑癌潜力的miRNA，在小鼠肺癌模型中的研究显示，早期给予类似于miR-34的分子能够有效抑制肿瘤生长。然而，在人体临床试验中，由于递送方法不当，研究人员不得不使用高剂量的miRNA进入血液系统，这引发了强烈的免疫反应，导致4名受试者死亡，试验被迫终止。这一事件对miRNA药物开发造成了严重打击，也促使研究人员重新审视如何更安全地递送和使用miRNA。此外，miRNA药物还可能引发非特异性基因调控，导致不可预见的副作用，这些问题在早期的临床试验中尤为突出。因此，miRNA药物的开发不得不暂时搁置。
此外，miRNA的多基因调控特性也是开发过程中的一大挑战。miRNA通常能够靶向多个mRNA，这种多靶标的特性虽然赋予了miRNA在调控复杂疾病过程中的优势，但同时也增加了在人体中引发非特异性作用的风险。因此，在开发miRNA药物时，必须进行深入的基础研究，以明确每种miRNA在特定病理状态下的作用靶标，从而最大程度地降低不良副作用的发生。

miRNA药物开发的新进展
随着递送技术的不断改进，特别是改良的LNPs和靶向配体技术的应用，科研人员在最近的研究中已经取得了一些重要突破，使得miRNA药物的安全性和有效性显著提升。例如，通过化学修饰使miRNA分子更加稳定，或者利用特异性靶向配体将miRNA递送至特定细胞或组织，能够有效解决之前的递送难题。在最近的一项研究中，改进后的LNPs成功将miR-34递送至小鼠的胰腺肿瘤部位，并显著抑制了肿瘤生长，与未改进的递送系统相比，其有效性提高了约50%。这些技术的进步使得miRNA药物的开发重新燃起了希望。
近年来，合成生物学和纳米技术的发展为miRNA药物的递送提供了更多选择。例如，一种新型的递送系统结合了合成的纳米凝胶(nanogel)与靶向配体，使得miRNA在体内的递送效率显著提升。这种系统能够在不同的pH条件下实现药物的可控释放，从而在特定的肿瘤环境中最大化其疗效。此外，利用外泌体(exosome)作为天然的递送载体也逐渐成为一种新的研究方向。外泌体具有良好的生物相容性和靶向性，可以有效递送miRNA至目标组织，这为开发低毒性、高特异性的miRNA药物提供了新的可能性。
图片

miRNA在疾病治疗中的应用前景
随着RNA药物技术的不断进步，科学家们已经逐渐掌握了如何通过改良miRNA分子的包装和修饰来降低其毒性，并提高其靶向性。例如，制药公司Novo Nordisk近期斥资收购了一家致力于miRNA抑制剂开发的公司，这表明了对miRNA药物未来潜力的强烈信心。研究人员已经开发出多种改进miRNA药物递送的方法，例如通过化学修饰使miRNA分子更加稳定，或者利用特异性靶向配体(targeting ligands)将miRNA递送至特定细胞或组织。这些技术的进步，使得miRNA药物的开发重新焕发了活力。
此外，其他基于RNA干扰(RNA interference, RNAi)的药物已经被批准，并证明了其通过减少特定基因表达来治疗疾病的有效性，为miRNA药物的成功提供了重要的参考。RNAi药物与miRNA药物在机制上有相似之处，都是通过与mRNA结合来调控基因的表达。然而，miRNA是内源性分子，通常能够同时调控多个基因，这一特点使得miRNA药物具有更广泛的应用潜力，但也意味着其在安全性和特异性方面需要更为严格的评估。
未来，miRNA在心血管疾病、代谢性疾病以及神经退行性疾病中的应用前景也备受关注。例如，miR-21在心脏纤维化过程中起关键作用，通过抑制miR-21的表达，可以有效减轻心脏纤维化，改善心脏功能。同样地，miR-33在脂质代谢中具有重要作用，其抑制剂被认为可以用于治疗高脂血症和动脉粥样硬化。此外，miR-29的下调与阿尔茨海默病(Alzheimer's disease)的病理进展有关，通过恢复miR-29的表达，有望减缓神经退行性变的进展。这些研究为miRNA在疾病治疗中的应用提供了更多可能性。

miRNA在临床试验中的应用实例
目前，科研人员正致力于开发多种基于miRNA的治疗手段，例如用于治疗癫痫、肥胖和癌症的miRNA疗法。在对miRNA的研究中，科学家们发现某些miRNA在特定疾病中的表达异常，因此通过恢复或抑制这些miRNA的功能，有望达到治疗疾病的效果。例如，miR-122是一种在肝脏中特异表达的miRNA，其在丙型肝炎病毒(hepatitis C virus, HCV)感染中的作用备受关注。研究人员发现，通过抑制miR-122的表达，可以有效阻止HCV在肝细胞中的复制，从而达到抗病毒的效果。这一发现促使Santaris制药公司开展了相关的临床试验，尽管由于竞争对手开发出更为有效的传统治疗手段，该项目最终被放弃，但这依然是miRNA药物开发道路上的一个重要里程碑。
另一项令人振奋的进展是制药公司Cardior Pharmaceuticals正在进行的一项针对心力衰竭(heart failure)的miRNA抑制剂的II期临床试验。该药物通过抑制与心脏功能异常相关的miRNA，从而改善心脏功能。2024年3月，制药公司Novo Nordisk宣布以高达10亿欧元的价格收购Cardior，这一举措表明了对miRNA药物未来前景的强烈信心。
此外，miRNA在癌症治疗中的应用也正在逐渐深入。例如，miR-155在多种癌症中均表现为上调，其与肿瘤的炎症反应和免疫逃逸有关。通过抑制miR-155的表达，研究人员希望能够增强肿瘤对免疫治疗的响应。在一项针对黑色素瘤的小鼠实验中，抑制miR-155显著提高了免疫检查点抑制剂的疗效，为miRNA与免疫疗法的结合应用提供了新思路。

miRNA在癌症治疗中的潜力
除了在心血管疾病中的应用，miRNA在癌症治疗中的潜力也备受关注。例如，miR-34在多种癌症中均表现出抑癌作用，其能够同时调控多个与细胞增殖和凋亡相关的基因。因此，科学家们希望通过重新开展miR-34的临床试验，利用改进后的递送技术来避免之前的失败，特别是在一些难以治疗的癌症如胰腺癌中，miR-34有望成为一种有效的治疗手段。
此外，miR-21也是癌症治疗中的一个重要靶点，其在多种肿瘤中均表现为上调，并与肿瘤的侵袭、转移以及耐药性有关。通过抑制miR-21的功能，研究人员希望能够抑制肿瘤的恶性进展，并提高传统化疗药物的敏感性。在最近的一项研究中，miR-21抑制剂与化疗药物联合使用，显著提高了小鼠乳腺癌模型中的肿瘤抑制效果，这为未来miRNA在肿瘤联合治疗中的应用提供了新的方向。

总的来说，尽管miRNA药物的研究和开发依然面临诸多挑战，但科学家们并未放弃。在现有技术的支持下，miRNA有望在未来对治疗包括癫痫、肥胖以及癌症等多种疾病方面取得突破性进展。随着递送技术的不断改进和对miRNA功能理解的深入，miRNA作为一种全新的治疗手段，将在医学领域迎来新的发展契机。可以预见，miRNA药物将在不久的将来成为治疗多种复杂疾病的重要工具，为人类健康带来福音。



参考文献

Reinhart, B. J. et al. Nature 403, 901–906 (2000).
Pasquinelli, A. E. et al. Nature 408, 86–89 (2000).
Johnson, S. M. et al. Cell 120, 635–647 (2005).
Trang, P. et al. Mol. Ther. 19, 1116–1122 (2011).



责编|探索君

排版|探索君

转载请注明来源于【生物探索】