RNA治疗行业已经实现了许多曾经被认为不可能实现的目标。反义寡核苷酸（ASOs）、小干扰RNA（siRNAs）及相关核酸模式已从学术概念发展成为经过临床验证的治疗平台，拥有数十种获批药物和数百个开发中的项目。
然而，尽管经过数十年的发展，整个寡核苷酸领域已投入超过1000亿美元，许多早期项目面临的挑战仍在限制现代药物开发。递送仍然困难。毒性仍然是一个令人担忧的问题。脱靶效应继续使开发过程复杂化。许多有希望的候选药物因改善一个性能特征往往以牺牲另一个为代价而失败。
行业在优化序列、偶联物和配方方面变得异常熟练。相比之下，较少受到关注的是连接一切的结构：寡核苷酸骨架本身。随着RNA治疗的不断发展，骨架工程可能代表了扩大药物开发者可用设计空间的最大剩余机会之一。
隐藏在显而易见处的骨架问题
大多数寡核苷酸平台都面临一个共同的架构挑战。无论采用何种模式，核酸都具有高度带电的磷酸骨架。这些负电荷对天然核酸生物学至关重要，但它们也造成了治疗开发者必须克服的许多限制。
带负电荷的骨架导致：
- 细胞摄取有限
- 膜通透性差
- 快速清除
- 配方复杂性
- 依赖递送载体
- 不希望的蛋白质相互作用
几十年来，研究人员一直试图通过各种化学策略来解决这些限制。
标准寡核苷酸保留了天然的磷酸化学，但通常需要大量优化才能实现有意义的递送和药代动力学性能。肽核酸（PNAs）和吗啉代等中性骨架技术消除了与电荷相关的问题，但引入了几何形状、溶解度和生物相容性方面的不同挑战。
偶联方法通过将靶向配体、脂质或其他功能基团连接到现有寡核苷酸支架上，提供了重要的进展。然而，这些修饰通常只改善性能的特定方面，而骨架的基本特性保持不变。
结果是RNA治疗中熟悉的一种模式：开发者不断在效力、稳定性、递送、耐受性和可制造性之间权衡取舍。
扩展优化空间
看待寡核苷酸治疗演变的一种方式是将其视为分子设计灵活性的逐步扩展。
早期项目主要关注序列选择。后来的几代产品加入了糖修饰，如2'-O-甲基和2'-氟化学。其他进展引入了硫代磷酸酯连接、GalNAc偶联物、脂质纳米颗粒以及日益复杂的递送系统。
每项创新都扩展了开发者可用的变量数量。骨架工程代表了这一趋势的下一个合乎逻辑的延伸。
骨架工程并非取代现有化学，而是寻求在保留现代寡核苷酸治疗已取得成功的属性的同时，提供额外的分子控制。这种方法基于一个简单的原则：如果骨架对递送、稳定性、蛋白质相互作用和药代动力学有重大贡献，那么它应该被视为一个可编程的设计元素，而不是一个固定的结构特征。
超越硫代磷酸酯
硫代磷酸酯化学已成为寡核苷酸药物开发中的一项基础技术。用硫原子替换非桥接氧原子可提高稳定性并增强与血清蛋白的相互作用，有助于改善药代动力学。然而，硫代磷酸酯也引入了新的挑战。
蛋白质结合在某些情况下可能是有益的，但在其他情况下可能是有问题的。在寡核苷酸开发中观察到的某些毒性与硫代磷酸酯介导的相互作用有关。此外，硫代磷酸酯修饰会产生立体化学复杂性，可能会使优化工作复杂化。
更广泛的问题是，未来几代寡核苷酸治疗是否需要更精确的方法来控制骨架行为。开发者可能会越来越多地寻求允许这些变量独立调整的技术，而不是接受电荷、稳定性和蛋白质结合之间的固定关系。这种控制可能实现疗效、安全性和递送性能的更合理平衡。
骨架功能化
从历史上看，大多数寡核苷酸功能化策略都集中在末端附着或外部偶联上。另一种方法是直接将功能基团引入骨架本身。
骨架级功能化创造了整合以下内容的机会：
- 荧光探针
- 疏水部分
- 增强递送的基团
- 成像剂
- 靶向元素
- 报告分子
因为这些修饰可以在寡核苷酸内的特定位置引入，所以它们可能提供通过传统末端修饰策略难以实现的空间控制水平。
重要的是，保持天然碱基配对和双链几何形状仍然至关重要。任何骨架工程策略都必须与沃森-克里克杂交兼容，同时避免破坏生物活性所需的蛋白质相互作用。目标不是简单地向RNA分子附加更多化学物质，而是以保留寡核苷酸治疗所依赖的分子识别过程的方式来实现这一点。
部分和选择性骨架中和的前景
在骨架工程中最引人入胜的概念之一是选择性电荷中和。
寡核苷酸的负电荷既是它们最大的优势之一，也是最大的缺陷之一。电荷使溶解度和生物识别成为可能。然而，它也导致膜通透性差并限制细胞内递送。
完全电荷中和通常会产生新问题，包括改变分子几何形状和降低生物相容性。选择性骨架中和提供了一种可能更微妙的解决方案。与其移除所有电荷，不如在保留整体分子结构的同时修改特定骨架区域。理论上，这种方法可以使开发者同时调整多个性能特征，包括：
- 细胞摄取
- 血清稳定性
- 生物分布
- 内体逃逸
- 错配区分
- 药代动力学行为
这一概念反映了药物开发中看到的趋势，即精确调整逐渐取代广泛的结构变化。
通过分子设计提高特异性
随着寡核苷酸治疗变得越来越有效，特异性变得越来越重要。脱靶活性仍然是RNA模式中持续存在的最令人担忧的问题之一。
传统方法非常重视序列优化。虽然序列设计仍然至关重要，但骨架结构也可能影响靶标选择性。
实验数据表明，某些骨架修饰可以改善错配区分，可能使寡核苷酸更有效地区分预期目标和非预期目标。如果这些观察结果在更广泛的数据集中继续成立，骨架工程可能成为在不牺牲效力的情况下减少脱靶效应的额外工具。对于追求高度选择性基因沉默策略的开发者来说，这是一个特别有吸引力的可能性。
保持可制造性
如果不能转化为实用的制造过程，新颖的化学物质就没有价值。寡核苷酸开发的历史包含许多有希望的分子设计，但由于无法可靠地大规模生产而最终失败的例子。因此，任何下一代骨架技术都必须同时满足两个要求：首先，它必须扩展生物性能。其次，它必须与现有的寡核苷酸制造基础设施兼容。这可能是该领域发展过程中最重要的考虑因素之一。
RNA治疗的未来不会完全建立在颠覆性替代技术之上。更可能的是，它将通过无缝集成到既定开发和制造工作流程中的创新而出现。保留亚磷酰胺化学、自动合成和可扩展生产的可能技术因此可能具有重要的实际优势。
RNA治疗的更广泛影响
骨架工程最重要的收获不是任何单一的修饰策略。而是认识到RNA治疗的优化空间远比许多人假设的要大。
多年来，行业的注意力主要集中在序列设计、递送载体和偶联策略上。这些领域将继续很重要。然而，骨架化学可能提供另一个尚未被充分探索的控制维度。未来的寡核苷酸开发可能越来越多地涉及以下方面的组合：
- 先进的序列设计
- 递送工程
- 偶联技术
- 计算优化
- 骨架级分子调节
这些方法共同可以创造出新一代治疗药物，具有改进的效力、特异性、耐受性和组织可及性。
结论
寡核苷酸治疗的演变一直是由化学推动的。从最早的反义分子到当今复杂的siRNA平台，每一项重大进展都扩展了开发者可用的分子工具包。骨架工程代表了该工具包的下一个潜在扩展。
它不是取代现有技术，而是提供了一个增强它们的机会，在保留已证明临床成功的核心架构的同时，提供调整分子行为的新方法。随着RNA治疗进入越来越具有挑战性的疾病领域和组织靶标，开发者可能会发现未来的收益不是来自全新的模式，而是来自重新构想核酸设计中最古老组件之一：骨架本身。
关于作者：
David R. Tabatadze, Ph.D.是ZATA Pharmaceuticals的总裁兼首席执行官，他领导下一代寡核苷酸化学和核酸治疗的开发。师从已故的Paul Zamecnik，Tabatadze在推进寡核苷酸骨架工程、反义技术和基因沉默平台方面的创新已有二十多年。他的工作重点是开发化学修饰的RNA和DNA治疗药物，旨在改善ASO、siRNA和基因编辑应用中的稳定性、细胞摄取、特异性和治疗效果。在加入ZATA之前，他在Hybridon、Viral Inactivation Technologies和Palomar Medical Technologies担任科学领导和研究职务。作为TIDES USA等行业会议的常客，Tabatadze因其对寡核苷酸化学演变和基于RNA的药物未来的贡献而受到认可。
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