维普资讯 http://www.cqvip.com 国外医学!临床生物化学与检验学分册 2002年第23卷第4期 195 lll综 述 . ・临床分子生物学・ 第二代反义核酸 杂合型反义核酸的研究现状 郑永红综述 (国家生物医学分析中心,北京100850) 摘 要:反义核酸通过序列特异性地与靶mRNA或靶DNA结合而抑制其表达,从而成为理想的、在基因水平的治疗制 剂。在第一代反义核酸一硫代磷酸酯寡核苷酸的基础上研究第二代反义核酸,其中杂舍型反义核酸是最具代表性的一类,本文着 重介绍了此类反义核酸的药物设计、作用机制、药代动力学、毒副作用、临床研究及应用前景等。 关键词:反义核酸;寡核苷酸;硫代磷酸酯;杂舍型反义核酸 中图分类号:Q52 文献标识码:A 反义核酸即反义寡核苷酸(antisense 0lig0nucle0tides, AODN),其核苷酸序列可与靶mRNA或靶DNA互补,抑制或 封闭该基因的转录和表达,或诱导RNase H序列并切割mR— NA,使其丧失功能。反义核酸药物是药学研究的新领域,有希 望成为分子水平治疗各种疾病如艾滋病、癌症、病毒感染、高血 压、慢性感染性疾病和遗传性疾病等新的突破口,正受到世界 范围内的广泛重视l】一。目前研究最广泛的第一代反义核酸一硫 代磷酸酯(PS-ODN),已应用于临床,然而PS-ODN也存在一 些缺陷,有剂量依赖性的副作用l2],包括免疫刺激、血小板减 少、天冬氨酸转氨酶和丙氨酸转氨酶水平升高,部分凝血活酶 的活化时间延长等,这可能是由于寡核苷酸骨架的多阴离子性 质造成的 。 随着化学合成、修饰技术的成熟和对构效关系了解的不断 深入,在第一代反义核酸的基础上,结合新近的研究结果,又设 计出新型的第二代反义核酸,杂合型反义核酸(hybrid oligonu— cleotides,HODN)是其中最具代表性的一类 ,与PS-ODN相 比.它具有更强的生物学效力和更高的稳定性,同时非专一性 的毒副作用大大降低。 1 药物设计 由于硫代磷酸酯寡核苷酸对mRNA的亲合力较高,稳定 性较好,但在较高的浓度下(大于1~5 ̄mol/L)会产生一些副 作用(主要是由于非专一蛋白结合引起的非专一性反应),所以 以硫代磷酸酯为出发点,应用多种化学修饰,以PS-ODN为核 心,两翼核苷酸序列上核糖的2 位被其它基团所修饰 一,进行 药物设计。 RNA/DNA双链比相同序列的RNA/DNA稳定得多。主 要原因是在核苷的2'-a位上带有负电性基团,有利于增加PS- ODN与RNA的亲和力。但这一修饰同时引起的核酸酶抗性 增加,还无法达到治疗的要求。这一不足可通过增大2 r_()_取 代基来解决。不过2 一()_烷基侧链的简单增加也会导致RNA 亲和力的降低。为解决这一矛盾进行了多次实验,发现糖环上 一类新的取代基2'-O-烷基可以保留甚至超过有2'-O-甲基核 苷(a)的RNA的亲和力,而2 位的烷基取代基同时保证了足 够的核酸酶抗性,这一类的取代基有b~f等(见图1)。 这类物质的2._链的第二个O原子有利于侧链结构的预 定位.由于偏转效应,使得侧链倾向于采取2'-O-CH 一CH:一O 扭转角为+6o。/一6o。的构象。对于2 一()_甲氧乙基衍生物b而 言.这两种构象都有利于杂合体的稳定_5 ;同时,也可能与2 位上垸氧基增加了它在水中的溶剂化作用有关_6]。 o O CH3 O /、 /\/\\/ /\/\\广\ H3C CH 3 H3C O H 3C O CH3 a b c 文章编号:1006—3730(2002)04—0195—02 CH / o ()H Ho O f O oH 0 I /、 /、\ /\八/ /\八入 H 3C CH 3 H3C H 3C OH d e f 图1取代基a~f的结构 2作用机制 2.1 以蛋白激酶C为靶目标 为进一步了解杂合型反义核 酸用于药物的可能性,研究了它对靶目标蛋白激酶C(PKC)的 作用。PKC在细胞增殖中起重要作用,涉及调节细胞对生长 因子、激素、神经递质等物质的胞内反应。已合成并鉴定的一 段2O聚的HODN1(碱基序列见图2)能专一性的抑制PKC的 合成而不影响其它同工酶的活性,在鼠中检测有抑制多种肿瘤 生长的能力,每天服用0.06mg/kg即能达到服用6mg/kg化合 物2(见图2)的效果 ,这证明糖环修饰的衍生物HODN用于 临床大有希望。Akhtar等的研究发现给裸鼠腹腔注射H()DN 后,其肝中产生剂量依赖的PKC mRNA的下调(达9O )口一。 1.Gp Tp Tp Cp Tp Cs Gs Cs Ts Gs Gs Cs Gs As Gp Tp Tp Tp Cp A 2.Gs Ts Ts Cs Ts Cs Gs Cs Ts Gs Gs Ts Gs As GS Ts Ts Ts Ts Cs A 3.Tp Cp Cp Cp Cp Cs Cs Ts Gs Ts Gs As Cs As Tp Gp Cp Ap Tp T 图2杂合型反义核酸的结构 2.2以C—raf激酶为靶目标“raf”作为在信号转导过程中起 重要作用的Ser-Thr专一性代表激酶,与人类某些恶性肿瘤疾 病紧密相关,抑制C—raf激酶可能会终止细胞增殖l7 。已制备 的2O聚的H()DN3(见图2),以硫代磷酸酯为基本骨架,两端 六个核苷替换为对应的核苷衍生物b,中间剩余8个非修饰核 苷酸,已证明8个核苷酸足以诱导RNase引起的RNA切割, 两翼与主体的连接为磷酸二酯键,已证明它在体内或体外都能 高度专一性地抑制C-raf激酶的生成。这一点在以C—ra{一1激 酶的表达作为靶点的研究中得以证实,给裸鼠每日静注 HODN可成功地抑制异种移植肿瘤的生长l2 。 3药代动力学 现有的研究证实.HODN可以进入细胞,但机制尚不清 楚。不同的HODN进入细胞的方式可能不同,在哺乳动物细 胞,HODN可通过主动过程进入细胞内,如通过受体的介导或 通过细胞内吞作用进入细胞内与膜结合的囊胞中,此外也有其 它方式。H0DN进入细胞后可分布于胞质和核内,也可少量 结合在细胞膜上。这取决于其种类、性质以及进入细胞的方 式,而与其长度、序列和细胞系无关。多数研究表明HODN以 时间依赖的方式从液泡中进入胞质和核内。应用脂质体包裹、 维普资讯 http://www.cqvip.com 196 国外医学临床生物化学与检验学分册 2002年第23卷第4期 杉醇联合治疗确诊的Ⅲb/Ⅳ期的NSCI C病人的平均存活期 维生素和抗体有助于HODN进入细胞核。 传统的PS ODN进入体内后,在血液中被快速清除,大脑 和脂肪中核苷酸水平很低,在皮肤、骨、心脏、肺和肿瘤组织中 有一定浓度的合理保留,而肾、肝和脾是药物的高亲和组织,而 相同时间内在尿和肾中的HODN浓度明显较PS-ODN增高, 说明其代谢比PS-ODN更迅速;同时.对肝和脾的亲和力明显 是19个月,而单用标准化疗者是8个月。 6 结语 从目前的实验结果来看.第二代寡核苷酸明显增强了反义 作用效果并降低了毒副作用,但要最终成为理想的治疗药物尚 需解决以下问题:①细胞培养试验中观察到的寡核苷酸类似物 的非特异性作用;②体内有效地输送到靶位问题;③寡核苷酸 大量生产的成本问题。然而随着药物传递系统的研制,包括 L一多聚赖氨酸、胆固醇、阳离子脂质体、抗体靶向性脂质体等, 相信会显著改善尺义药物的生物利用度和增强其靶向性 一,给 疾病的治疗带来益处。 下降,而皮肤、骨、心脏、肺和肿瘤组织中仍有合理的浓度存在, 这大大增强了这类物质用于治疗的可能性l8 。2O聚的HODN 以0.06~20rag・kg 剂量输注2h后检测,血浆峰值浓度随剂 量呈线形增加,剂量为2mg・kg 时,完整药物的血浆峰值浓 度为9.5mg/L,然而血浆中药物的消除也呈剂量依赖性,2mg ・kg 剂量的清除率为1.28ml・min ・kg~,尿中基本未发 现完整的药物。HODN与PS-ODN类似,都具有一个连续的 降解过程_g 。 参考文献 1 Sommer W,H eiling M. Antisense oligonucleotides are clinically tested.They inhibit the expression of disease-re— 4安全性及毒副作用 反义药物的毒性,依发生的原因不同可分为二类,一种是 lated genes[J].Lakartidin Gen,1999,96(4):348—354. 2 Akhtar S,Agrawal S.In vivo studies with antisense oligo— 以药效学为基础的毒性,是其反义作用过程或与非靶基因作用 而导致的毒性。另一种毒性是ODN与其它分子(如蛋白)相 互作用的结果,可能有序列特异性也可能与序列无关。多数反 义核酸的毒性都是由于此种原因所致,主要有:凝血时间延长、 免疫刺激和补体的激活等。 HODN对凝血致活酶的影响随非离子键减少而减少,含 nucleotidesrJ1.Trends Pharmacol Sci,1997,18:12—18. 3 Branch AD.A good antisense molecule is hard to find[J]. Trends Biochem Sci,1998,23:45-50. 4 Monia BP.First and second generation antisense inhibitors targeted to human C—raf kinase:in vitro and in vivo studies 有2._0一H0DN或PNH2等非离子键的HODN比PS-ODN的 影响要小得多。免疫刺激的影响程序与核苷酸键的连续键有 关,与摄取及胞内浓度无关,而HODN的骨架影响其与细胞膜 蛋白的结合特性l ,减弱淋巴细胞的增生,从而显著减少了免 】疫刺激。PS-ODN在大、小鼠中均引起血小板减少、转氨酶的 升高及肾小管变化,而HODN几乎不导致此类副作用的发生。 [J].Anticancer Drug Des,1997,12:327—339. 5 Martin P.Ein neuer zugag zu 2'-O-alkylribonu cleosiden und eigenschaften deren digonudeotide[J].Helv Chin Ac— ta,1995,78:486—503. 6 Mesmaeker AD,Haner R,Martin P,et a1.Antisense oli— gonucleotides[J].Acc Chem Res,1995,28:366—374. 7 Altmann KH,Dean NM,Fabbro D,et a1.Second genera— tion of antisense oligonucleotides:from nuclease resistance 临床试验 目前,已有17种反义核酸药物进入临床试验l_ ,用于治 】疗感染性疾病、癌症及炎症,Vitravene是1998年8月经美国 FDA批准第一个进入市场的反义核酸,用于治疗艾滋病人的 巨细胞病毒性视网膜炎。 最新的ISIS-3521(IS)是Isis Pharmaceuticals公司研制的 to biological efficacy in animals[J].Chimia,1996,50:17卜 187. 8 Oberba uer R.Not nonsense but antisense-applications of antisense oligonucleotides in different field of medicine[J-]. Wein Klin Wochenschr,1997,1O9(2):4O一46. 9 Crooke ST.An overview of progress in antisense therapeu— 用于治疗非小细胞肺癌(NSCLC)的HODN,是蛋白激酶C-a 表达的选择性抑制剂。IS与mRNA特异PKC—a结合,选择性 tics[J].Antisense Nucleic Acid Drug Dev,1998,8(2):l15— 122. 地抑制在发病中起作用的成员,而其它成员则不受影响,可继 续执行它们在正常细胞中的功能。 Is静脉注射用药已进入Ⅲ期试验,评估它与二个治疗 NSCLC的标准化疗药一卡铂和紫杉醇联合使用时延长病人存 活期的能力,有600例病人入选。在以三周作为一个周期的头 二周内病人被随机指定接受单用化疗或与IS连续输注联合治 疗。该试验在美国与欧洲的6O个中心进行。在2000年5月 10 Zhao Q,Temsamani J.Effect of different chemically modi— lfed oligodeoxynucleotides on immune stimulation[J].Bio— chem Pharmacol,1996,51(2):173—181. 1 1 Wittung—Stafshede P.Genetic medicine when will it come to the drugstore[J].Science,1998,281(5377):657—658. (2001一O7—1 3收稿 2002—03一l1修回) 本文编辑:辜明铭 份的ASCO会议上报告的试验初步结果显示,IS与卡铂和紫 {上接第194页)GyrA gene associated with decreased susceDtibi¨ties to quin— files[J].Antimicrob Agents Che— mother,1996,40:1O2O一1O23. 15 Yasuda M,Fukuda H,Yokoi S,et a1.In vitro selection of fluorquinolo— ne-resistant Neisseria gonorrhoeae M,et a1.SusceDtibilIties of Neisseria gonorrhoeae isolates containing amino olones[J].Clin Micrbiol,1996,34: 2255—2258. acid substitutions in GyrA,with or without substitutions in ParC,to me— wer fluoroquinolones and other antibi— 14 Deguchi T,Yasuda M,Nakano M,et a1.Quinolone-resistant Neisseria gon— orrhoeae:Correlation of alterations in the GyrA subunit of DNA gyrase and harboring alteration in DNA gyrase otics[J].Antimicrob Agents Che— mother,2000,44(1):192—195. and toposomerase lV[J].J Urol, 2000,164(3 Pt 1):847—851. (2001—08—30收稿 2002—04—21修回) 本文编辑:辜明铭 the ParC subunit of topoisomersase IV 16 Tanaka M,Nakayama H.Haraoka with antimicrobial susceptibility pro—