RNA研发热！这12家公司正在推进靶向RNA的小分子药物
▎药明康德/报道
编者按：至今，几乎我们所服用的每一种药物目的都是改变蛋白质的活性。一度，发明可以靶向RNA的小分子药物被认为是违反药物研发教条的事情。但在今年9月，纽约科学院（NYAS）召开了首届靶向RNA的小分子专题会议，《Nature Reviews Drug Discovery》也对这一趋势做了报道（详细阅读：深度长文：靶向RNA，新领域已准备迎接爆发）。靶向RNA的小分子药物研发正在进入主流。
早期研究人员的甘于冒险，促使了至少十多家医药和生物技术公司专门研究靶向RNA的小分子药物。因为它的不确定性，该领域充满了刺激。但是一旦成功，将是“变革式”的进步。这种方法可能会开辟一大批长期无法获得的药物靶点，给罕见遗传病和癌症带来希望。在本文中，我们可以看到坚守12年的RNA药物猎人的行家观点，3个成功的案例的研发启示，走出隐匿模式的创新公司的玩法，以及顶尖药企和资本的战略布局。
在过去的12年中，Matthew Disney博士大部分时间都在反驳别人对他的工作的怀疑，有时甚至是不屑一顾的言论。同行的学术研究人员认为他从事的科学风险太大；美国联邦机构也不愿意资助。他的医药行业的朋友说，根本没有足够的数据。
▲Matthew Disney博士（图片来源：Scripps Research Institute）
为什么怀疑？这位斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute Florida）的化学家一直试图做一些违反药物发现教条的事情：发明可以靶向RNA的小分子药物。
几乎我们所服用的每一种药目的都是改变蛋白质的活性。这是因为蛋白质通常在细胞内扮演送信者、建造者和推土机的角色。为了完成这些任务，蛋白质使用自己复杂的三维结构中的口袋（pocket）来回应、构建或分解分子。药物设计者利用这些裂缝，发明适合口袋内部的分子，来阻断或改变蛋白质的活性。
▲药物与蛋白的结合与“钥匙和锁”假说有异曲同工之妙（图片来源：维基百科）
另一方面，RNA是生产蛋白质的指令集合。在教科书的插图中，它通常被赋予与湿面条相同的线性特性，但能够笨拙地扭曲，折叠并且维持自身结构。这种形状不适用于药物结合口袋。
而且，由于RNA由四个核苷酸的模块组成，因此与20种不同的氨基酸组装的蛋白质相比，RNA的序列看起来更相似。这使得发现选择性药物——结合单一类型的RNA而没有广泛的副作用——更困难。而最重要的是，RNA总是在摆动，四处跳舞，使得很难清晰地了解它的结构，而结构是药物猎人寻找药物分子的工具。
Disney博士在过去的十几年中一直试图证明RNA的特性可以被驯服。在他的坚守下，研究选择性靶向RNA的小分子药物的科学家队伍越来越强大。
这个领域充满了刺激，因为它具有不确定性。如果成功的话，这种方法可能会开辟一大批长期无法获得的药物靶点，特别是对于罕见的遗传性疾病和无法治愈的癌症。即使离药物上市还很遥远，但是对RNA的动态结构的深入了解，慢性疾病相关的RNA数量的不断增加，以及早期研究人员的甘于冒险，至少促使了十多家医药和生物技术公司热衷于这个领域的研究。
RNA回归
为了回应怀疑者，研究人员可以搬出一些与RNA结合的小分子的例子。事实上，在1990年代和21世纪初就有几家公司开展了靶向细菌和病毒RNA的新药研发项目。但是大多数项目由于资金挑战或研究重点转移而失败。
北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina, Chapel Hill，UNC）研究RNA结构的Kevin Weeks博士说：“RNA是一个本质上可怕的目标”。Weeks博士回忆说，早期的化合物在非常简化，优化的条件下进行了测试。一旦进入更接近模仿人类的系统，它们就不能很好地工作。
▲Kevin Weeks博士（图片来源：UNC）
曾经联合创立了一家公司RiboTargets（现已解散）的Gabriele Varani博士说：“找到能与RNA结合的分子并不难。然而，找到特异性的结合是非常困难的。“Varani博士现在在华盛顿大学（University of Washington）研究RNA和蛋白质相互作用。
RNA强烈带负电，意味着带正电荷的药物会一次粘附多个RNA。这种不分青红皂白的结合可能会导致灾难性的副作用。研究人员发现，氨基糖苷类抗生素可以广泛结合RNA的药物，以至于这些化合物常常被认为是“混杂的分子”。
Disney博士说：“有些人怀疑，我们唯一能调节的RNA是特例，如细菌和病毒RNA。例如，氨基糖苷类药物靶向细菌核糖体（细胞内的蛋白质制造机器）中的RNA，但是医药公司希望以人类RNA为靶标——这是一个更难的命题。
Disney说：“另一个棘手的问题是反义”，这指的是利用DNA或RNA链干扰蛋白质生产的一种技术。这项技术刺激了许多公司试图通过敲除核苷酸链上特定的RNA分子来治疗各种疾病。
“有了反义技术，人们就会想：'你为什么需要一个小分子？“Disney说。但反义治疗遭遇了许多临床失败案例。虽然有几种药物已经投放市场，但毒性和药物输送限制了它们的使用。Disney说：“从某种意义上说，我们已经回到了渴望小分子的地步。”
还有其他一些原因让人兴奋。首先，人类中发现的20000种蛋白质中只有约15％可以用小分子药物治疗。剩余的85％里面包含一些最热门的药物靶标。因为每种蛋白质都是由信使RNA（mRNA）指令制成的，所以阻断mRNA可以治疗由“不可药用”蛋白质引起的疾病。
研究人员对RNA的理解也在进步，使其成为一个更有吸引力的靶标。例如，科学家们现在知道认为RNA是柔性的老式模型并不完全准确，Weeks博士说。一些RNA的部分结构含量很丰富，精确定位这些区域，会使得设计小分子更容易。
成千上万的非编码RNA的发现也令人兴奋。非编码RNA可以调节其他RNA和DNA的表达，而不是制造蛋白质。对于科学家是“大惊喜”，Weeks说，70％的基因组产生了这些RNA，而只有1-2％编码蛋白质。“即使只有一小部分可以成药，也有巨大的机会。”
一些科学家对非编码RNA领域也提出警告。Thomas Hermann博士在加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）研究RNA结构，并在21世纪初开始在Anadys公司研究病毒RNA，他说：“RNA不是低挂的果实。并非所有的RNA靶标都是相同的，许多或大多数RNA靶标可能是不能成药的。“在黄铁矿周围掘金会比较困难，因为有那么多黄铁矿。”
▲RNA淘金热：至少有12家公司有专门研究针对RNA的小分子药物的项目（数字来源：C&EN）
成功的迹象
上面提到的遗传全景是诱人的，但即使是专注的也是现实的。Disney博士说：“说任何RNA都能被靶向，这种提法相当大胆。”相反，他希望在易感RNA中找到模式或基团，使其成为药物开发者的成熟靶标。
Weeks博士认为：“任何理性的人都得看看这个领域，应该意识到成功的故事并不多。”他举出三个例子，但每一个都是特例。
首先是靶向核糖体的抗生素，如氨基糖苷类。其次，默沙东（MSD）公司的科学家最近发现了一种名为ribocil的抗生素，可以阻断细菌RNA结构——核糖开关。由于抗生素抗性，该研究计划不久后中止（Nature 2015，DOI：10.1038 / nature15542）。
▲默沙东研发的ribocil与细菌的核糖开关RNA结合的模型（图片来源：Arrakis）
第三个例子是诺华（Novartis）公司的branaplam，目前正在进行脊髓性肌萎缩症的2期临床试验。Branaplam通过一个复杂的机制使细胞生产完整长度的mRNA，其缩短是导致罕见疾病的原因（Nat. Chem. Biol. 2015年，DOI：10.1038 / nchembio.1837）。
Russell Petter博士说，Ribocil和Branaplam的案例“是真正令人信服”。他2015年9月成立了Arrakis Therapeutics公司并出任首席科学官，专注开发能结合RNA的小分子药物。他认为，这些成功例子的警示是“没有故意这样做”。默沙东和诺华都是通过筛选大型化学文库发现了这两个化合物，后来才意识到它们与RNA结合。
▲Russell Petter博士（图片来源：Arrakis）
但2015年相关的文章一发表，就在这个领域引起了不小的兴奋。包括Arrakis在内的几家新公司纷纷成立，为了寻找靶向RNA的小分子。
Arrakis公司的做法跟默沙东和诺华一样，基因对现有的化学化合物库的筛选，希望产生RNA药物的先导化合物。Petter博士说：“我们的目标是让药物变得无聊。” Arrakis公司主要关注使用标准化合物作为出发点，而不是创造出新化合物。“我们不希望测试某种药，然后说‘啊，是的，它们能结合RNA’。如果是这样做的话，我认为很难成功。“
Petter博士招募了一位老同事Michael Gilman博士担任Arrakis的首席执行官。Gilman博士在今年2月帮助公司筹集了3800万美元。该公司披露了一个亨廷顿舞蹈病的新药项目，但会让化学筛选的结果决定其下一步行动。
▲Michael Gilman博士（图片来源：Arrakis）
很多人说Gilman博士和Petter博士的宣传和筹款已经引起了大家对该领域的兴趣。但是Arrakis并不是重拾旧概念的第一家初创公司。Arrakis以北13公里处，一家名为RNA医学（RNA Medicines Co.）的神秘公司宣称自己拥有进展最快的靶向RNA的小分子研发项目。
这家公司是由生物技术企业家Johan Pontin博士于2015年初创立。Pontin的团队一直在暗中开发小分子药物。他们的目标是靶向一种叫做microRNA的非编码RNA，其中两个药物涉及三阴性乳腺癌和胶质母细胞瘤。比利时生物医药公司UCB已经资助了这两个项目，还有一个未披露的第三个药物。
RNA复兴
许多夜晚，Disney博士在凌晨2点醒来，然后会出发去实验室。有时是对实验的牵挂把他带到那儿；有时候，是他遇到的罕见遗传病患者（包括他的侄女）激励他不断工作。
那些深夜造访实验室是Disney博士日益繁重的工作计划的一部分。对靶向RNA的小分子药物兴趣的复苏，使他忙于应付各种会议和医药公司的需求。纽约科学院（New York Academy of Sciences）9月份召开的一次会议，显示出理论化学家正在越来越多地接受RNA药物发现成为主流。
密西根大学（University of Michigan）的药物化学家Amanda Garner博士正在筛选化合物以寻找能够结合microRNA的分子。她发现天然产物会比标准文库化合物产生更多命中（SLAS Discovery 2017，DOI：10.1177 / 2472555217717944）。宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）的David Chenoweth博士正在设计被称为triptycenes的桨轮状分子，该分子楔入RNA中的三向螺旋结（Angew.Chem.Int.Ed.2014，DOI：10.1002 / anie.201407061）。伊利诺斯大学厄本那-香槟分校（University of Illinois, Urbana-Champaign）的Steven Zimmerman博士设计了连接细胞的化合物，以结合长的重复RNA（J.Am.Chem.Soc。2016，DOI：10.1021 / jacs.6b03697）。
▲Arrakis公司的一个未公开的RNA靶标中，一种化合物模型被嵌进了一个三向交叉位置。（图片来源：Arrakis）
其中一些学术成果正在孵化出公司。Disney博士最近也成立了Expansion Therapeutics公司，以进一步推进团队的发现。
他的实验室研发的关键技术之一是一种称为Inforna的计算程序，能够使用RNA的遗传密码来预测RNA链的哪个区域能够黏住自身，创造出一个潜在的成药结构，程序还会建议可能结合的分子。
▲Inforna：一种设计有选择性的小分子化学探针的生物信息学的方法（图片来源：The Disney Lab）
另一个技术是一种称为Chem-CLIP的实验室方法，用于梳理小子在细胞内会结合哪种RNA，这是测试药物选择性必不可少的步骤。Disney博士解释说：“从某种意义上说，我们正在制作飞镖的圆靶盘。Inforna可以提供最好的飞镖，而Chem-CLIP可以评价距离靶标有多近。
▲Chem-CLIP：一种识别小分子RNA靶标和细胞代谢物的方法（图片来源：The Disney Lab）
在这两个工具的帮助下，Disney实验室正在设计和测试化合物，可以选择性地结合强直性肌营养不良1型（一种罕见肌肉萎缩病）模型中那些重复的、致病的RNA的片段。（Nat. Chem. Biol. 2016，DOI：10.1038 / nchembio.2251）。“有很多怀疑论者，”Disney博士说：“人们都说不能用分子来靶向特定的RNA结构。这绝对不是事实。“
许多研究人员感谢Disney博士使该领域的研究得以复兴。UNC的Weeks博士说：“这个领域能够存在，很大的一部分因为他非常努力的说服每个人相信靶向RNA是合理的。他一度几乎是单枪匹马地维持着这个研究领域存在。”
几个星期，Weeks博士和他的学生Katie Warner也成立了一家公司Ribometrix。该公司上个月募集了750万美元的种子基金，部分基于Weeks实验室发现的RNA化学探针技术。这个名为SHAPE的工具可以帮助识别可能适合药物结合的RNA结构区域。研究人员正在研究如何最好地发现和定位RNA中独特的结构元素，如多螺旋连接和假结构，Weeks博士说：“这个领域已经准备好迎接爆发式增长了”。
另一家初创企业Nymirum正在开发工具来帮助解决RNA固有的流动性问题。Nymirum成立于2009年，迄今为止已经筹集了1000万美元的资金，联合创始人Hashim M. Al-Hashimi博士说，他们正在使用核磁共振“收集原子分辨率的RNA跳舞的电影”。Al-Hashimi博士说，这项技术有助于找到一个最佳的结合口袋，而这个结合口袋是在“RNA摇摆不定的时候形成的”。Nymirum使用这种方法为一家医药公司发现了一种候选药物，并且最近与另一家药企建立了合作伙伴关系。
这些公司和研究人员在9月份的纽约科学院会议上首次聚集在一起。Pontin博士说：“这就像是对我们所做的一切的认可。“当我们三年前开始这样做时，我们在医药公司的朋友还有其他人都认为我们是疯了。
现在，即使Pontin博士的一些大型医药公司的朋友正在探索如何开发针对RNA的小分子——虽然大部分工作仍然是保密的。大型药企辉瑞（Pfizer）和勃林格殷格翰（Boehringer Ingelheim）赞助了纽约科学院会议，这两家公司的科学家也在研究靶向RNA的小分子药物。
诺华和Biogen公司也有相关的项目，而且默沙东已经超越了细菌RNA，研究靶向非编码RNA的潜力。该公司计划尽快公布这项工作的初步结果。Pontin博士说：“现在所有的大型药企都在为此献出资源，这显然意味着这是个趋势。“它不是一时狂热，它非常真实的存在着。“
参考资料
[1] The RNA drug hunters
[2] Integrating Display and Delivery Functionality with a Cell Penetrating Peptide Mimic as a Scaffold for Intracellular Multivalent Multitargeting
[3] Precise small-molecule recognition of a toxic CUG RNA repeat expansion
[4] The Disney Lab
[5] arrakistx官网