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这种曾被无数科学家放弃的疗法,让接近死亡的她重获新生

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【摘要】 由于毒性和效力不足等问题,反义寡核苷酸药物曾被科学家放弃。但经过部分研究人员的努力,这种药物终于迎来曙光:在治疗脊髓性肌萎缩症时,这类药物展现出了良好的效果。接下来,科学家将用这种......

由于毒性和效力不足等问题,反义寡核苷酸药物曾被科学家放弃。但经过部分研究人员的努力,这种药物终于迎来曙光:在治疗脊髓性肌萎缩症时,这类药物展现出了良好的效果。接下来,科学家将用这种药物对付一些罕见病,甚至针对不同个体,制备不同的反义寡核苷酸药物。一些难以治疗的遗传性神经系统疾病,或许将会被攻克。

撰文丨莉迪娅 · 丹沃思(Lydia Denworth)

翻译丨赵健元

当埃玛 · 拉森(Emma Larson)刚满 1 岁时,她和很多其他同龄的孩子一样,不会走路也无法站立。她很喜欢父母在纽约长岛家中为她准备的婴儿摇椅,也爱在家里爬来爬去。但当埃玛 13 个月大的时候,她的双腿不能活动了。当她试图站立时,双腿会弯起来。她的父母观看了一段旧的录像带后,发现埃玛的爬行动作已经有了很明显的改变:她与地面接触的面积更小,头也很难再抬起来。

2014 年 7 月,经过一系列诊断后,拉森夫妇了解到埃玛患有脊髓性肌萎缩症(spinal muscular atrophy,SMA),这是一种可能致命的神经退行性疾病,患者绝大部分是儿童。这种疾病会使儿童丧失走路、说话的能力,严重时甚至无法呼吸。由于埃玛体内严重缺乏运动神经元生存蛋白(SMN),她的运动神经元正在消失。黛安娜说:" 我们正在经历生命中最黑暗的时期。" 但埃玛的父亲马特 · 拉森(Matt Larson)表示:" 我们决定全力以赴,愿意做任何事情来帮助埃玛对抗这种可怕的疾病。"

在离拉森居住地不远的冷泉港实验室中,生物化学和分子遗传学家阿德里安 · 克赖纳(Adrian Krainer)正在进行相同的战斗。自 2000 年以来,他一直在研究脊髓性肌萎缩症的遗传学基础,了解到导致这一疾病的是关键基因 SMN1 的缺失或突变。他还了解到,人们还携带一种不活跃的、具有相似功能的 SMN2 基因。2004 年起,他与伊奥尼斯制药公司的弗兰克 · 本内特(Frank Bennett)合作,试图开发一种药物来改变脊髓性肌萎缩症患者体内的 SMN2 基因,并最终合成功能性 SMN 蛋白、改善疾病进程。为此,他们将方向转为研究反义寡核苷酸药物。

40 多年前,科学家首次提出了反义寡核苷酸(antisense oligonucleotides,ASOs)的概念,它是经过化学修饰的 DNA 或 RNA 短链(oligo 在希腊语中意为 " 很少 ",核苷酸是组成 DNA 和 RNA 的基本单位)。反义寡核苷酸能以突变基因转录形成的 RNA 链为靶点,改变基因的表达。也就是说,反义寡核苷酸能与其靶向的 RNA 链的一部分结合,抑制可导致疾病的蛋白形成,或者反过来促进合成那些缺失时会诱发疾病的蛋白。

数十年来,科学家一直在努力证明,通过这种策略能够开发出治疗或预防疾病的反义寡核苷酸药物。但他们也发现,这类药物存在严重问题,例如具有毒性、无法输送到合适的组织中。因此,许多人放弃了这一研究策略。但有人仍在坚持,并从遗传学革命揭示的遗传疾病详细信息中获益。布雷特 · 莫尼亚(Brett Monia)表示:" 反义寡核苷酸是一类专门争对遗传疾病的药物,是精准医疗的缩影。"2020 年 1 月,他接替创始人斯坦利 · 克鲁克(Stanley Crooke),担任伊奥尼斯制药公司的首席执行官。

克赖纳、本内特和同事将他们研究的脊髓性肌萎缩症药物命名为 Nusinersen。当 Nusinersen 被注入脑脊液中时,它能诱导不活跃的 SMN2 基因产生 SMN 蛋白。通过与渤健公司(Biogen)合作,他们于 2011 年开始在临床试验中测试这种药物。在埃玛两岁时(符合临床测试条件),拉森夫妇为她报了名,当时她已经无法爬行了。2015 年 3 月,她接受了第一次注射给药,随后很快又接受了两次注射。

2015 年 5 月的一天,黛安娜在卧室里听到隔壁的书房传来埃玛的声音。黛安娜回忆道:" 我听见她在叫我,而且声音越来越近。她从书房一直爬到我的卧室。" 黛安娜怀疑地问自己:" 我刚刚看到的是真实吗?" 她抱起女儿,背她回到客厅,然后重新回到卧室喊道:" 埃玛,过来。" 小女孩重新爬到了妈妈的怀里。黛安娜激动到抽泣:" 我们正在做对的事情!"

确实,Nusinersen 的临床试验非常成功,通过时间比预期提前了一年。2016 年 12 月,美国食品药品监督管理局(FDA)批准了这种药物以商品名 Spinraza 上市。目前,全球 40 个国家的 8400 多名患者正在服用这种药物。其中 25 名症状严重的脊髓性肌萎缩症患者从出生时就开始服用这种药物。现在,他们已经 4 岁了,身体发育正常。克鲁克说:" 即便只研发出了 Spinraza,我也已经满足了。"Spinraza 的成功也支持了这一观点:反义寡核苷酸最终能发挥出全部的治疗潜力。

漫长的研发过程

自 1978 年以来,科学家一直想要利用遗传信息,制造一种可以与 RNA 结合的药物。但是,当时存在一系列未解的问题:如何将寡核苷酸制成药物?为什么与 RNA 结合就会产生作用?尽管如此,克鲁克还是对这个想法产生了浓厚兴趣。1989 年,他辞去了史克必成公司(SmithKline,现在的葛兰素史克)研发主管的职位,成立了一家致力于开发反义寡核苷酸技术的公司——伊奥尼斯制药(Ionis Pharmaceuticals)。他的妻子罗莎妮(Rosanne,是一位药理学家)、同事本内特和莫尼亚,也加入了这家公司。

与此同时,少数公司也开始研发反义寡核苷酸药物,但随后一个接一个地放弃。在很长一段时间内,科学家都无法克服反义寡核苷酸药存在的毒性、脱靶效应以及效力不足等问题。

但是克鲁克和同事陆续解决了这些问题。在伊奥尼斯制药公司总部,一堵长长的专利墙证明了他们的研究成果。首先,他们必须从化学层面进行开发,例如,通过修饰反义寡核苷酸 RNA 和 DNA 中核糖(2' 位)的关键位置,增强反义寡核苷酸对 RNA 受体的亲和力,从而显著减少药物剂量。而其他化学修饰能提高反义寡核苷酸的安全性和耐受性。

他们还发现,虽然在体外,药物直接输送到细胞中时并没有被组织吸收,而伊奥尼斯制药公司的科学家最终还在动物身上成功开展了药物测试。莫尼亚曾在伊奥尼斯制药公司负责药物开发,他清晰地记得,利用化学方法来测定小鼠体内特定 RNA 的水平时,几乎检测不到这种 RNA。这表明药物进入了大多数组织的细胞中,并且成功地降低了 RNA 的表达。

反义寡核苷酸疗法通常对有特定靶点的罕见病具有疗效,这个概念也更容易验证。反义寡核苷酸最早应用于治疗眼部疾病,后来由于在肝脏中的吸收效果尤其出色,也被应用于治疗肝脏疾病。这些药物已经被证明有效,但由于其他一些药物的疗效更显著,它们最终都没有成功上市。

最新设计的寡核苷酸药物被用于治疗罕见疾病。其中一种药物 Exondys 51 能用于治疗杜氏肌营养不良症(Duchenne muscular dystrophy)。杜氏肌营养不良症是一种严重的渐进性退行性疾病,由产生肌营养不良蛋白的基因突变引起。荷兰莱顿大学医学中心的安纳米克 · 阿茨马 - 鲁(Annemieke Aartsma-Rus)是寡核苷酸治疗学会的主席。作为杜氏肌营养不良症的专家,阿茨马 - 鲁参与了药物 Exondys 51 的研发。虽然这款药物不如 Spinraza 那么令人惊叹,但早期结果显示,该药物能提升肌营养不良蛋白的水平,并获得了 FDA 的加快审批。

第一款 RNA 干扰药物 Onpattro 由波士顿生物科技公司 Alnylam Pharmaceuticals 生产,这一药物在 2018 年被批准用于治疗遗传性神经损伤。伊奥尼斯制药公司获得批准的一种反义寡核苷酸药物 Tegsedi,也能治疗该疾病。目前,所有寡核苷酸药物治疗的重点是将更多的药物更有效地输送到身体的更多部位。阿茨马 - 鲁指出:" 过去很多人都处在观望状态。但现在他们明白,如果还不开始,就会错过机会。"

治疗神经系统疾病

Spinraza 临床试验的成功表明,反义寡核苷酸疗法对大脑疾病特别有效。阿茨马 - 鲁说,与神经疾病相关的靶点已经成为 " 触手可及的目标 "。例如,一些以反义寡核苷酸为基础、治疗亨廷顿病的疗法正在开发中。由伊奥尼斯制药和罗氏集团(Roche)开发的药物 RG6042,正在进行 3 期临床试验。

过去,为一个人开发特定药物的场景只存在于科幻小说中。但波士顿儿童医院的神经病学家蒂莫西 · 于(Timothy Yu)在不到一年的时间里,为现在 9 岁的米拉 · 马科韦茨(Mila Makovec)发明了一种药物。米拉患有罕见的巴腾病(Batten),这是一种家族性疾病,由基因突变导致蛋白质和脂质在细胞内积累引起。巴腾病患者几乎都不能活到青春期。

和很多巴腾病患者一样,米拉幼年时具有异常出色的协调和口头表达能力。但 3 岁时,她的脚趾开始向内弯曲。4~5 岁时,她变得非常笨拙,开始失去视力。最终,科罗拉多州儿童医院的医生将米拉的症状与她携带的一个基因突变联系起来。

但是,存在两个基因突变时,才会患上巴腾病。为了得到确诊,米拉的母亲朱莉娅 · 维塔雷洛(Julia Vitarello)开始寻找能完整测出米拉基因组的人。此外,米拉的父母还想知道他们的小儿子阿兹兰(Azlan)是否存在患病风险。2017 年 1 月,蒂莫西 · 于的妻子在社交媒体上收到了朱莉娅的请求。

蒂莫西 · 于的团队对米拉进行全基因组测序后,发现了第二个基因突变。该突变由一个跳跃基因或转座子引起。转座子是一段核苷酸序列,可以复制并移动到基因组中本不属于它的位置上。这个发现也意味着,阿兹兰是没有患病风险的。这时,蒂莫西 · 于产生了一个想法:为米拉专门创造一种药物。蒂莫西 · 于说:" 我们可以采取类似 Spinraza 的原理,但是,是使用反义寡核苷酸来关闭一个导致基因编码异常的外显子。"

在几家制药公司表示反对后,蒂莫西 · 于亲自监督了该药的生产。他称这种药为 "milasen",因为只有一个病人(米拉)会服用这种药物。2018 年 1 月,米拉接受了第一针注射治疗。那时她双目失明,每天会痉挛 20~30 次,有些持续几分钟。这种症状已经对米拉的身体造成无法修复的伤害。经过治疗,她的痉挛很快就得到了缓解,4~5 个月之后,痉挛持续的时间从几分钟缩短至几秒钟。维塔雷洛说,最近在她的帮助下,米拉甚至可以走楼梯。

和米拉一样,埃玛也无法完全康复。她体内丧失的神经元还没有被替换,而她的骨骼可能已经发生了永久性改变。拉森的家里有大片没有铺地毯的木地板,刚满 7 岁的埃玛更喜欢这样的地面,因为她可以坐在 " 赛车 " 轮椅上四处飞驰。埃玛的助步器和背带都系在一双亮粉色的运动鞋上,她可以凭借自己的力量走几步。在餐厅,她一只手放在桌子上,像火烈鸟一样站在墙边的长凳上,叫道:" 嘿,看,单腿站立!"

拉森夫妇承认,生活依然艰难,但他们不再绝望。他们为 Spinraza 在治疗新生儿方面表现得如此成功而感到兴奋。黛安娜说道:" 我很满足了,虽然这对埃玛来说有点晚了,但她为患有这种疾病的其他孩子铺平了道路。"

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