Nature：为什么环状RNA会是下一代重磅药物？

基于RNA的疫苗是COVID-19大流行中的英雄，它们创下了历史上最快疫苗开发时间的记录，从开发到获FDA批准上市仅仅用时一年时间。

而最近，mRNA技术更是获得了诺贝尔奖的认可，Katalin Karikó 和 Drew Weissman 因发现了核苷碱基修饰，从而开发出了有效的mRNA疫苗来对抗COVID-19，而获得了2023年诺贝尔生理学或医学奖。

我们很早就知道，RNA技术有一个关键的缺陷——RNA通常以线性形式存在，而这种形式的mRNA的寿命很短。再几小时内，细胞内的核酸酶就会把他们降解掉。RNA这种转瞬即逝的性质对用作疫苗来说并不是个大问题，因为它只需要很短的时间来编码出蛋白质，就能引发免疫反应。

但是，对于大多数治疗应用来说，最好是能让RNA留存的时间更长。而这是环状RNA（circRNA）的一个优势——其共价闭合环形结构可以保护自身免受核酸酶的降解，从而具有更好的稳定性和更长的寿命。理论上，即使在低剂量水平上，环状RNA也能增治疗潜力。

环状RNA的发现和发展

1976年，环状RNA（circRNA）首次被发现，但当时被认为是细胞内mRNA剪接错误带来的副产物。2013年，Nature 期刊同期发表两篇环状RNA研究论文，指出环状RNA是一类具有调控作用的非编码RNA，通过作为miRNA的海绵（sponge）来调控其他基因表达。这让沉寂30多年的环状RNA一鸣惊人，成为新一代明星分子，并陆续被发现在细胞分化、组织稳态、疾病发展，以及免疫代谢中发挥重要调节作用。

2018年7月，是环状RNA发展史上的一个关键转折点，麻省理工学院（MIT）的 Daniel Anderson 等人在 Nature Communications 期刊发表论文，首次证实工程化的环状RNA可在真核细胞中稳定、高效表达蛋白，开创了外源环状RNA在真核细胞中表达蛋白的新应用，也证明了环状RNA是线性mRNA的有效替代品。

环状RNA创业热潮

基于上述研究，Daniel Anderson 创立了世界首家利用环状RNA开发新疗法的公司 ——Orna Therapeutics。该公司的核心技术在于其开发RNA环化技术，他们实现了超长环状RNA构建，将编码杜氏肌营养不良（DMD）所缺乏的肌营养不良蛋白（Dystrophin）的mRNA实现环化，该mRNA长达12000个核苷酸。

但 Orna 并非唯一一家致力于开发环化技术的初创公司，还有一些公司正在采用不同的方法来构建环状RNA。例如，Torque Bio公司是将产生环状RNA的指令放到病毒中，让其细胞内部剪接产生环状RNA。Chimera Therapeutics 公司则使用基因工程细菌来生成环状RNA。

此外，还有两家来自中国的初创公司，环码生物和科锐迈德，这两家公司去年分别在预印本发表论文，开发了新型RNA环化技术。

目前，已有十几家工程化环状RNA公司创立，这些公司筹集了超过10亿美元的融资。其中最受关注的当属Flagship孵化的 Laronde，该公司已融资近5亿美元。此外，一些大型制药企业也开始涉足环状RNA技术。他们相信，线性RNA能做的，环状RNA也能做，甚至能做的更好。

环状RNA的优势与进展

谈及环状RNA的优势，斯坦福大学的张元豪（Howard Chang）认为，只需要一次注射，你就能得到足够耐用的蛋白质。

2022年7月，张元豪团队在 Nature Biotechnology 期刊发表论文，该研究通过多处优化设计，成功环状RNA翻译表达的蛋白质产量提高了数百倍，可在体内实现有效且持久的蛋白质生产。

之后，张元豪与mRNA技术先驱、2023年诺贝尔生理学或医学奖得主Drew Weissman等人创立了一家名为 Orbital Therapeutics 的公司，该公司在今年上半年完成了高达2.7亿美元的A轮融资。

环状RNA技术的支持者预计，环状RNA将成为制药行业的首选RNA平台，并可能开启下一代疫苗、罕见疾病疗法，以及抗癌药等产品。

将环状RNA开发为疗法时，我们需要去除成环过程中的额外序列，从而避免引起不必要的免疫反应。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的陈玲玲研究员认为，这其实取决于构建环状RNA的具体方式。她于2021年11月在 Molecular Cell 期刊发表的研究显示，在构建环状RNA时，自剪接基序留下的序列会扭曲RNA折叠，从而导致结构不规则的环形结构，从而引发免疫反应。

但在某些情况下，免疫反应又是可取的。

2022年3月，北京大学魏文胜团队在 Cell 期刊发表论文，该研究在小鼠和猴子上证实，与线性mRNA疫苗相比，环状RNA疫苗诱导产生了更多的中和抗体，以及更有效的T细胞反应。此外，环状RNA在环境温度下比线性mRNA更稳定，因此，基于环状RNA的疫苗可以在没有冷链的情况下储存和运输。

魏文胜教授创立了圆因生物，且已开始环状RNA新冠疫苗的人体实验，这也是首次在人体中测试合成的环状RNA药物。而年可能会有其他一些基于环状RNA的药物进入临床实验，包括科锐迈德的一种癌症疗法，该疗法使用环状RNA编码免疫刺激分子——白细胞介素-12（IL-12）。

Orna 公司准备在2024年开始一项环状RNA疗法的临床试验，这款环状RNA疗法可以重新编程免疫细胞来攻击血癌。在今年5月的美国细胞基因治疗行业会议（ASGCT）上，Orna 的科学家们展示了临床前研究结果，结果显示，注射低剂量的LNP递送的环状RNA到小鼠体内，即可再体内原位重编程T细胞，根除白血病小鼠模型的肿瘤，而不需要任何复杂的细胞工程或高强度的预备药物方案。

合成的环状RNA不仅可以编码治疗性蛋白质。当它们折叠成特定形状时，这些环状RNA还可以像抗体一样直接与目标结合，作为一种被称为适体（aptamer）的药物。它们可以捕获和隔离不同种类的调节分子，有效地将其从细胞环境中清除。它们还可以作为“反义因子”与基因转录物（mRNA）结合，阻断或改变其表达。此外，它们还可以作为RNA编辑应用的指导分子，将特定的酶导向需要纠正的突变基因转录本。各个初创公司正在积极探索这些应用。

人工智能助力环状RNA研究

这项研究不仅为mRNA疫苗提供了一种及时和有前途的工具，而且还为mRNA疗法提供了巨大的潜力，有望彻底改变医疗保健现状。该研究开发的线性设计工具——LinearDesign，可以优化编码所有治疗性蛋白的mRNA，包括单克隆抗体和抗癌药物。

2023年7月，团队在预印本 bioRxiv 发表论文，进一步开发出了用于环状RNA结构预测与序列设计算法平台——circDesign。

研究团队将circDesign算法应用于基于环状RNA的狂犬病疫苗和带状疱疹疫苗的序列优化设计中，在小鼠模型中增强了环状RNA的序列稳定性、蛋白翻译效率和免疫原性，成功验证了circDesign平台在环状RNA序列设计优化上的有效性。

据悉，这是国际上首个通过人工智能算法优化设计环状RNA的案例，有望简化环状RNA的序列优化设计，提高环化效率、稳定性和蛋白翻译水平。

circDesign算法开发人、LinearDesign共同一作、中国药科大学张亮教授表示，相比线性RNA，针对环状RNA的序列设计需要考虑的因素更多，目前团队正在积极探索针对不同RNA平台的设计算法，希望人工智能技术能够加速RNA疫苗和药物的开发。

环状RNA面临的问题

环状RNA领域不断取得新进展，但随着该领域的发展，也不断暴露出一些问题。

今年6月份，环状RNA领域融资最多的公司——Laronde，其核心研究项目——使用环状RNA表达GLP-1用于减肥，被曝光涉嫌数据造假。这一事件也引起了人们对于对于环状RNA潜力的怀疑。

基于环状RNA的药物的首次人体试验已于今年8月启动。但环状RNA距离开启一场药物开发的革命，或实现 Laronde 公司所做的承诺——到本世纪末开发100款基于环状RNA的新药项目，还有很长的路要走。环状RNA的优势是否会使其胜过其它的持久治疗方法，例如传统的基因疗法，以及新兴的基因编辑疗法，仍然是一个正在进行的调查和科学探究领域。

但 Alexander Wesselhoeft 仍看好环状RNA，他是2018年这篇开创了外源环状RNA在真核细胞中表达蛋白新应用的论文的第一作者，也是 Orna Therapeutics 公司的联合创始人，他现在是麻省总医院布里格姆基因和细胞治疗研究所RNA治疗主任。他认为，尽管线性mRNA疫苗取得了巨大成功，但环状RNA是未来的发展方向，将是RNA治疗技术的首选。