中科院杭州医学研究所核酸分子医学中心：基于核酸适体的功能性核酸靶向递送

功能核酸（NAs）药物可以改变和控制细胞中基因/蛋白质的表达模式，因而具有广泛的应用前景。为保证NAs的功能性和安全性，需要将其精准高效地运输到靶细胞。然而，天然NAs负电性使其很难穿过由脂质双分子层组成的细胞膜进入靶细胞。此外，功能NAs脱靶至非目标健康细胞或组织易引起不可预测的不良反应。因此，将功能性NAs精准高效地递送到特定的细胞/器官是亟待解决的难题。核酸适体（Aptamers）可以与细胞表面的各种蛋白质结合，具有较高的特异性和选择性，可以作为分子识别单元，准确地结合靶细胞，从而实现对货物的高效运输。基于此，中国科学院杭州医学研究所（中科院医学所）核酸分子医学中心研究团队发表了最新展望，总结了基于适体的功能性NA靶向递送的进展，该文的主要作者是谢斯滔副研究员、孙玮笛等，通讯作者是渠凤丽研究员和谭蔚泓教授。

1. 基于核酸适体的siRNA靶向递送

自从1998年Fire等人首次报道了RNA干扰技术（RNAi）以来，siRNA就被用于通过控制mRNA寿命或其转录来调节特定的靶标。2006年，Sullenger首次报道了共价Aptamer-siRNA嵌合体。如图1所示，抗PSMA（前列腺特异性的膜抗原）核酸适体A10与siRNA序列共价嵌合体可用于靶向调控PLK1（polo样激酶1）和Bcl-2（B细胞淋巴瘤2）的表达水平。

图1. 功能化核酸适体的功能核酸嵌合体示意图

为了进一步提高siRNA负载能力，研究人员将核酸适体与脂质纳米颗粒（LNP）、外泌体等各类纳米材料进行组合，可以显著提高药物的递送效率。如图2所示，基于核酸适体的LNPs、微囊泡、金属纳米颗粒和聚合物纳米颗粒还可以用于各类功能核酸的靶向递送。

图2. 基于核酸适体的NA递送系统示意图

2. 基于核酸适体的miRNA靶向递送

1993年，Ambros小组报道秀丽隐杆线虫基因lin-4可以作为miRNA基因来编码和调控miRNA。近年来，研究人员开发了基于核酸适体的miRNA偶联物，并且显示出良好的治疗效果。如图2d所示，Wu等人报道了基于A10核酸适体的聚酰胺-胺（PAMAM）系统（PAMAMA-PEG-APT），将miRNA（miR15a和miR-16-1）靶向递送至前列腺癌细胞，并且miRNA/PAMAM-PEG-APT的IC₅₀值比对照组（miRNA/PAMAM-PEG）低约4.7倍。

3. 基于核酸适体的shRNA靶向递送

除了siRNA和miRNA外，小发夹RNA（shRNA）也可以与核酸适体一起递送，并且显示出shRNA在各种疾病中的治疗潜力。2010年，Kim等人报道了抗PSMA核酸适体功能化的多聚物用于Bcl-xL shRNA和多柔比星（DOX）向LNCaP细胞的靶向共递送，该研究证明了该聚合物对表达PSMA前列腺癌细胞的选择性抑制（如图3）。

图3. 适体共轭多聚物(APs)共递送shRNA和DOX的示意图

4. 基于核酸适体的saRNA靶向递送

2006年，小激活RNA（saRNA）被设计成激活基因转录，靶向各种人类癌症的有力工具。基于细胞SELEX技术，Yoon等人筛选出能够特异性结合人胰腺癌表面表位的核酸适体PANC-1。通过尾静脉注射，核酸适体-saRNA嵌合体可以增加C/EBPα的表达，进而显著抑制吉西他滨耐药AsPC-1小鼠异种移植模型中的肿瘤生长。

5. 基于核酸适体的ASO靶向递送

合成的单链反义寡核苷酸（ASO）可以通过结合RNA调节基因表达，从而调节前体mRNA剪接并影响蛋白质表达。2015年，Li等报道了尺寸可控、刺激响应型核酸适体纳米水凝胶的设计和合成，该水凝胶具有针对c-raf-1 mRNA的治疗性ASO和靶向基质金属蛋白酶-9的DNAzyme的双重载荷，可特异性抑制A549细胞的增殖和迁移（如图4）。

图4. 纳米水凝胶的设计和合成示意图

6. 基于核酸适体的DNAzyme靶向递送

在过去的几十年中，可以催化单链RNA切割的DNAzyme已经被精确地用于调控基因表达以及疾病进展。如图5所示，Subramanian等人报道了核仁素适体-DNA酶缀合物，用于以适体介导的方式将靶向存活素的DNAzyme递送至癌细胞。

图5. 核酸适体- DNAzyme嵌合结构的组装示意图

7. 基于核酸适体的核酸适体靶向递送

核酸适体可单独用于调节蛋白质活性，并且进一步调节生命过程。在免疫治疗的研究中，相关适体可以结合免疫共刺激受体，例如CD 28、OX 40（肿瘤坏死因子受体超级家族成员4）和4-1BB（细胞表面糖蛋白，又称CD137），通过阻断或激活免疫受体来调节细胞免疫应答的过程。如图6所示，Li等人报道了一种环状双功能核酸适体，其可以在识别细胞膜上的TfR后通过胞吞作用穿过BBB内皮细胞，特异性地将Tau蛋白的核酸适体递送至体内破坏Tau蛋白病变。

图6. 环状双功能适体降解Tau蛋白的示意图

通过合理设计、修饰和序列优化，可以制备出用于延长循环和精确递送至靶点的RNA药物。功能性NA药物的开发将使基于核酸适体的疗法从概念验证和临床评估升级到实际的临床和生物医学应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Aptamer-Based Targeted Delivery of Functional Nucleic Acids

Sitao Xie, Weidi Sun, Ting Fu, Xiangsheng Liu, Peng Chen, Liping Qiu, Fengli Qu*, and Weihong Tan*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 7677–7691, DOI: 10.1021/jacs.3c00841

中国科学院杭州医学研究所核酸分子医学中心介绍

中科院医学所核酸分子医学中心是中科院医学所重点打造的科研平台，在功能核酸构效关系研究、设计、筛选、修饰、优化、合成及其生物医学应用方面具有独特的优势，在国际上率先建立了功能核酸-核酸适体的生命复杂体系筛选新方法（Cell-SELEX），为核酸适体的生物医学应用奠定了重要的科学和技术基础；开创了基于核酸适体的靶向药物（ApDC）研究领域，为靶向药物的研发打开了新的途径；面对突发的全球重大新冠疫情，迅速研发出新冠病毒核酸诊断试剂和一体化多通道高通量新冠病毒核酸检测设备并成功推向产业化和临床应用，成为我国第一个新冠 POCT产品。中科院医学所核酸分子医学中心将聚焦功能核酸的关键基础科学问题，重点开展功能核酸结构、作用机制与生物学效应基础研究、功能核酸的设计与筛选及新型mRNA药物用于重大传染性病和恶性肿瘤的防治等应用研究。为突破功能核酸医学应用和核酸疫苗领域的瓶颈技术奠定基础，推动功能核酸在疾病诊治中的广泛应用。