Ứng dụng của Antisense Oligonucleotides (ASO) trong lĩnh vực Trị liệu Sinh học thế hệ mới
- Thứ hai - 25/12/2023 08:40
- In ra
- Đóng cửa sổ này
Kể từ khi công nghệ tổng hợp DNA và RNA bằng phương pháp hóa học hoặc sinh học (enzyme) được đưa vào ứng dụng, nó đã tạo nên một cuộc cách mạng đối với nghiên cứu di truyền...
Kể từ khi công nghệ tổng hợp DNA và RNA bằng phương pháp hóa học hoặc sinh học (enzyme) được đưa vào ứng dụng, nó đã tạo nên một cuộc cách mạng đối với nghiên cứu di truyền và nghiên cứu thuốc. Công nghệ antisense sử dụng các oligonucleotide ngắn, được tổng hợp hóa học (antisense oligonucleotide, hay ASO), theo “hướng antisense” đối với RNA của tế bào đích để chúng liên kết hoặc gắn với RNA, từ đó làm thay đổi biểu hiện gen. Phương pháp này được mô tả lần đầu tiên vào cuối những năm 1970 bởi Tiến sĩ Paul Zamecnik, người đoạt giải Lasker và Tiến sĩ Mary Stephenson, người đã sử dụng DNA ASO chưa sửa đổi để ức chế quá trình dịch mã RNA ở virus Rous sarcoma.
Thập kỷ tiếp theo chứng kiến sự đổi mới và cải tiến nhanh chóng trong các phương pháp antisense, phần lớn là thông qua việc kết hợp các biến đổi hóa học vào ASO để mang lại sự ổn định của nuclease và tăng ái lực liên kết. Dựa trên mô hình biến đổi hóa học được sử dụng, antisense được chia thành hai phương thức chính:
1) ASO trực tiếp phân giải RNA mục tiêu (thường là mRNA)
2) Những chất có chức năng như chất chặn không gian và không dẫn đến sự phân hủy RNA.
Các ASO phân giải thường chứa một lượng lớn các gốc DNA; khi ASO kết hợp với RNA thông tin (mRNA), cấu trúc dị vòng RNA/DNA được hình thành, là chất nền cho sự thoái hóa của tế bào bởi RNase H. Ứng dụng antisense này dẫn đến sự điều chỉnh giảm chức năng biểu hiện gen thông qua việc loại bỏ một loại mRNA, dẫn đến làm giảm hoạt động dịch mã tạo protein. Khả năng làm giảm biểu hiện gen một cách đặc hiệu này là một công cụ nghiên cứu quan trọng được sử dụng để tìm hiểu chức năng gen. Nó cho phép phát triển các liệu pháp antisense, trong đó ASO là một loại thuốc làm giảm sự biểu hiện của gen để điều trị các bệnh gây ra bởi sự hiện diện của sản phẩm gen đột biến hoặc do biểu hiện quá mức của gen.
Các ASO chặn không gian thường được tạo hoàn toàn bằng các gốc DNA đã được biến đổi về mặt hóa học vừa có khả năng chống phân giải vừa có ái lực liên kết cao; không có DNA domain, các hợp chất này không dẫn đến sự phân giải RNA. Nếu ái lực liên kết đủ cao, sự gắn kết của antisense vào RNA có thể ngăn chặn sự tương tác của RNA với protein, làm thay đổi chức năng sinh học của RNA đó. Một ứng dụng quan trọng của antisense ức chế không gian là nhắm mục tiêu vào các vị trí cụ thể trong hnRNA hạt nhân (pre-mRNN) để thay đổi các mẫu mối nối sao cho mRNA cuối cùng được biến đổi mà không bị xóa hoặc bao gồm một exon đặc hiện. Nhóm hợp chất antisense này được gọi là SSO (oligonucleotide dịch chuyển mối nối).
Không có gì đáng ngạc nhiên khi các phương pháp antisense đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu phát triển thuốc quan trọng trong 45 năm kể từ khi nó được phát hiện. Phương pháp điều trị ASO đầu tiên được FDA chấp thuận là Fomivirsen (Vitravene), được giới thiệu vào năm 1998 để điều trị viêm võng mạc do CMV ở bệnh nhân mắc AID. (Thuốc này đã bị thu hồi vào năm 2001; do việc áp dụng liệu pháp kháng virus HAART đã làm giảm tỷ lệ mắc bệnh viêm võng mạc do CMV AIDS và Fomivirsen không còn cần thiết nữa). Sau đó, một loạt thử nghiệm lâm sàng ASO đã thất bại, thường do không đủ hiệu quả. Giống như bất kỳ phương pháp điều trị bằng thuốc mới nào, các nhà nghiên cứu phải mất nhiều năm để tối ưu hóa các hợp chất và hiểu về gen mục tiêu và bệnh lý hoàn toàn đầy đủ trước khi đạt được thành công.
ASO đang hồi phục
Kim Lennox (nhà khoa học và là nhân viên cấp cao tại Công nghệ DNA Tích hợp (IDT), Mỹ) tham gia IDT vào đầu những năm 2000, khi sự nhiệt tình đối với phương pháp trị liệu ASO đang suy yếu, phần lớn là do những lo ngại về hiệu quả và tính an toàn. Vào thời điểm đó, một phương thức mới để ngăn chặn sự biểu hiện gen (tức là phá hủy gen) đã được phát hiện, đó là can thiệp RNA (RNAi). Công nghệ RNAi đi theo một cơ chế hoạt động hoàn toàn khác, tuy nhiên, giống như antisense, có thể được trung gian bởi các hợp chất oligonucleotide tổng hợp và nhắm mục tiêu vào bất kỳ gen nào dựa trên trình tự. Một phần đáng kể nguồn lực nghiên cứu và phát triển thuốc đã chuyển từ antisense sang RNAi, nhưng, giống như antisense, phương thức điều trị thuốc thậm chí còn mới hơn này cũng cần nhiều năm để tối ưu hóa hoàn toàn các hợp chất và hiểu được các mục tiêu và bệnh lý phù hợp.
Các nỗ lực nghiên cứu và phát triển thuốc của ASO đã quay trở lại khi kiến thức về thiết kế thuốc thử tối ưu (ví dụ, biến đổi hóa học) và lựa chọn mục tiêu đã được cải thiện. Hơn nữa, kết quả nghiên cứu liệu pháp ASO đã phát hiện thấy một số lợi thế nhất định khi nhắm mục tiêu các loại RNA trong nhân tế bào, đặc biệt đối với các RNA không mã hóa dài, chịu trách nhiệm điều chỉnh phiên mã gen và sửa đổi sau dịch mã và có thể là mục tiêu mới. Trong những năm 2010, một số phương pháp điều trị thuộc nhóm ASO đã được FDA chấp thuận, bao gồm Nusinersen điều trị teo cơ cột sống, Eteplirsen và Casimersen điều trị chứng loạn dưỡng cơ Duchenne (cả ba đều là thuốc thuộc nhóm SSO, con đường không có sẵn khi sử dụng RNAi). Điều quan trọng là các bằng sáng chế bao gồm một số biến đổi hóa học quan trọng được sử dụng để tạo ra các hợp chất ASO an toàn và hiệu quả nhất đã hết hạn, bao gồm 2′-O-(2-methoxyethyl) và LNA, khuyến khích nhiều nhóm hơn tham gia vào nỗ lực phát triển các liệu pháp antisense.
Theo Egli, M., Manoharan, M. Chemistry, cấu trúc và chức năng của phương pháp trị liệu bằng oligonucleotide đã được phê duyệt, Nghiên cứu Axit Nucleic, Tập 51, Số 6, ngày 11 tháng 4 năm 2023, trang 2529–2573;
https://doi.org/10.1093/nar/gkad067. (Được sao chép lại với sự cho phép của Nhà xuất bản Đại học Oxford.)
Phương pháp điều trị ASO đặc biệt có giá trị trong các rối loạn di truyền nano hiếm gặp. Tổ chức phi lợi nhuận n-Lorem Foundation có sứ mệnh phát triển và cung cấp phương pháp trị liệu ASO cho bệnh nhân miễn phí. Nó được thành lập vào năm 2020 bởi Tiến sĩ Stanley Crooke, người đi tiên phong trong việc phát triển phương pháp trị liệu ASO với tư cách là Giám đốc điều hành của Ionis Pharmaceuticals. Nhiều ASO đã được cung cấp cho con người trong các thử nghiệm lâm sàng hoặc dưới dạng điều trị được phê duyệt hơn bất kỳ loại thuốc oligonucleotide nào khác. Do đó, người ta hiểu rõ hơn về tính an toàn và rủi ro của ASO, khiến nó trở thành liệu pháp lý tưởng đầu tiên trong nỗ lực điều trị các rối loạn di truyền hiếm gặp, do đó việc thử nghiệm rộng rãi trước khi dùng cho bệnh nhân là không khả thi.
Tương lai của ASO và thuốc oligonucleotide
Ngày nay, 45 năm sau khi phát hiện ra antisense và 25 năm sau khi phát hiện ra RNAi, 13 loại thuốc thuộc loại này đã được phê duyệt sử dụng. Điều này bao gồm chín ASO (4 ASO phân giải và 5 SSO) và bốn siRNA.
Mặc dù những thành công đã đạt được vẫn còn nhiều việc phải thực hiện. Cũng giống với bất kỳ liệu pháp điều trị thế hệ tiếp theo nào, việc cân bằng sự hấp thu của tế bào và hiệu lực ngoài mục tiêu tối thiểu (off-target effects, hay OTE) và độc tính vẫn là những thách thức lớn. Việc tìm ra vị trí gắn kết ASO-RNA mục tiêu tối ưu đáp ứng các tiêu chí trên đòi hỏi phải kết hợp nhiều phương pháp. Quá trình lai ASO-RNA có thể bị cản trở bởi nhiều yếu tố, từ cấu trúc thứ cấp của RNA đến sự tương tác của chúng với axit nucleic và protein nội bào, có thể ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của ASO với RNA mục tiêu. Các hợp chất tiềm năng cho nghiên cứu phát triển thuốc ASO phải được sàng lọc cả trong tế bào trên và hệ thống mô hình động vật để xác định các hợp chất phù hợp và hàng trăm đến thậm chí hàng nghìn ASO được sàng lọc trước khi chọn ra các hợp chất dẫn đường để tiếp tục nghiên cứu.
Kết luận: ASO— trụ cột trong y học di truyền
Ngày nay, “kho vũ khí nhắm mục tiêu gen” bao gồm nhiều tùy chọn từ ASO và RNAi đến CRISPR-Cas9 và các nền tảng chỉnh sửa bộ gen mới hơn. Mỗi cái đều có ưu điểm và nhược điểm. Là công nghệ nền tảng của loại tác nhân này, ASO có đặc tính an toàn tốt nhất đối với con người. Tác giả hy vọng rằng sự kết hợp giữa hóa học tổng hợp, tin sinh học và các công cụ tính toán sẽ giúp mở đường cho các ASO mạnh, chọn lọc và không độc tính như một cơ sở của các loại thuốc di truyền trong tương lai.
Nguồn:https://www.genengnews.com/topics/omics/utility-of-antisense-oligonucleotides-asos-in-next-generation-biotherapeutics/
Thập kỷ tiếp theo chứng kiến sự đổi mới và cải tiến nhanh chóng trong các phương pháp antisense, phần lớn là thông qua việc kết hợp các biến đổi hóa học vào ASO để mang lại sự ổn định của nuclease và tăng ái lực liên kết. Dựa trên mô hình biến đổi hóa học được sử dụng, antisense được chia thành hai phương thức chính:
1) ASO trực tiếp phân giải RNA mục tiêu (thường là mRNA)
2) Những chất có chức năng như chất chặn không gian và không dẫn đến sự phân hủy RNA.
Các ASO phân giải thường chứa một lượng lớn các gốc DNA; khi ASO kết hợp với RNA thông tin (mRNA), cấu trúc dị vòng RNA/DNA được hình thành, là chất nền cho sự thoái hóa của tế bào bởi RNase H. Ứng dụng antisense này dẫn đến sự điều chỉnh giảm chức năng biểu hiện gen thông qua việc loại bỏ một loại mRNA, dẫn đến làm giảm hoạt động dịch mã tạo protein. Khả năng làm giảm biểu hiện gen một cách đặc hiệu này là một công cụ nghiên cứu quan trọng được sử dụng để tìm hiểu chức năng gen. Nó cho phép phát triển các liệu pháp antisense, trong đó ASO là một loại thuốc làm giảm sự biểu hiện của gen để điều trị các bệnh gây ra bởi sự hiện diện của sản phẩm gen đột biến hoặc do biểu hiện quá mức của gen.
Các ASO chặn không gian thường được tạo hoàn toàn bằng các gốc DNA đã được biến đổi về mặt hóa học vừa có khả năng chống phân giải vừa có ái lực liên kết cao; không có DNA domain, các hợp chất này không dẫn đến sự phân giải RNA. Nếu ái lực liên kết đủ cao, sự gắn kết của antisense vào RNA có thể ngăn chặn sự tương tác của RNA với protein, làm thay đổi chức năng sinh học của RNA đó. Một ứng dụng quan trọng của antisense ức chế không gian là nhắm mục tiêu vào các vị trí cụ thể trong hnRNA hạt nhân (pre-mRNN) để thay đổi các mẫu mối nối sao cho mRNA cuối cùng được biến đổi mà không bị xóa hoặc bao gồm một exon đặc hiện. Nhóm hợp chất antisense này được gọi là SSO (oligonucleotide dịch chuyển mối nối).
Không có gì đáng ngạc nhiên khi các phương pháp antisense đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu phát triển thuốc quan trọng trong 45 năm kể từ khi nó được phát hiện. Phương pháp điều trị ASO đầu tiên được FDA chấp thuận là Fomivirsen (Vitravene), được giới thiệu vào năm 1998 để điều trị viêm võng mạc do CMV ở bệnh nhân mắc AID. (Thuốc này đã bị thu hồi vào năm 2001; do việc áp dụng liệu pháp kháng virus HAART đã làm giảm tỷ lệ mắc bệnh viêm võng mạc do CMV AIDS và Fomivirsen không còn cần thiết nữa). Sau đó, một loạt thử nghiệm lâm sàng ASO đã thất bại, thường do không đủ hiệu quả. Giống như bất kỳ phương pháp điều trị bằng thuốc mới nào, các nhà nghiên cứu phải mất nhiều năm để tối ưu hóa các hợp chất và hiểu về gen mục tiêu và bệnh lý hoàn toàn đầy đủ trước khi đạt được thành công.
ASO đang hồi phục
Kim Lennox (nhà khoa học và là nhân viên cấp cao tại Công nghệ DNA Tích hợp (IDT), Mỹ) tham gia IDT vào đầu những năm 2000, khi sự nhiệt tình đối với phương pháp trị liệu ASO đang suy yếu, phần lớn là do những lo ngại về hiệu quả và tính an toàn. Vào thời điểm đó, một phương thức mới để ngăn chặn sự biểu hiện gen (tức là phá hủy gen) đã được phát hiện, đó là can thiệp RNA (RNAi). Công nghệ RNAi đi theo một cơ chế hoạt động hoàn toàn khác, tuy nhiên, giống như antisense, có thể được trung gian bởi các hợp chất oligonucleotide tổng hợp và nhắm mục tiêu vào bất kỳ gen nào dựa trên trình tự. Một phần đáng kể nguồn lực nghiên cứu và phát triển thuốc đã chuyển từ antisense sang RNAi, nhưng, giống như antisense, phương thức điều trị thuốc thậm chí còn mới hơn này cũng cần nhiều năm để tối ưu hóa hoàn toàn các hợp chất và hiểu được các mục tiêu và bệnh lý phù hợp.
Các nỗ lực nghiên cứu và phát triển thuốc của ASO đã quay trở lại khi kiến thức về thiết kế thuốc thử tối ưu (ví dụ, biến đổi hóa học) và lựa chọn mục tiêu đã được cải thiện. Hơn nữa, kết quả nghiên cứu liệu pháp ASO đã phát hiện thấy một số lợi thế nhất định khi nhắm mục tiêu các loại RNA trong nhân tế bào, đặc biệt đối với các RNA không mã hóa dài, chịu trách nhiệm điều chỉnh phiên mã gen và sửa đổi sau dịch mã và có thể là mục tiêu mới. Trong những năm 2010, một số phương pháp điều trị thuộc nhóm ASO đã được FDA chấp thuận, bao gồm Nusinersen điều trị teo cơ cột sống, Eteplirsen và Casimersen điều trị chứng loạn dưỡng cơ Duchenne (cả ba đều là thuốc thuộc nhóm SSO, con đường không có sẵn khi sử dụng RNAi). Điều quan trọng là các bằng sáng chế bao gồm một số biến đổi hóa học quan trọng được sử dụng để tạo ra các hợp chất ASO an toàn và hiệu quả nhất đã hết hạn, bao gồm 2′-O-(2-methoxyethyl) và LNA, khuyến khích nhiều nhóm hơn tham gia vào nỗ lực phát triển các liệu pháp antisense.
Theo Egli, M., Manoharan, M. Chemistry, cấu trúc và chức năng của phương pháp trị liệu bằng oligonucleotide đã được phê duyệt, Nghiên cứu Axit Nucleic, Tập 51, Số 6, ngày 11 tháng 4 năm 2023, trang 2529–2573;
https://doi.org/10.1093/nar/gkad067. (Được sao chép lại với sự cho phép của Nhà xuất bản Đại học Oxford.)
Phương pháp điều trị ASO đặc biệt có giá trị trong các rối loạn di truyền nano hiếm gặp. Tổ chức phi lợi nhuận n-Lorem Foundation có sứ mệnh phát triển và cung cấp phương pháp trị liệu ASO cho bệnh nhân miễn phí. Nó được thành lập vào năm 2020 bởi Tiến sĩ Stanley Crooke, người đi tiên phong trong việc phát triển phương pháp trị liệu ASO với tư cách là Giám đốc điều hành của Ionis Pharmaceuticals. Nhiều ASO đã được cung cấp cho con người trong các thử nghiệm lâm sàng hoặc dưới dạng điều trị được phê duyệt hơn bất kỳ loại thuốc oligonucleotide nào khác. Do đó, người ta hiểu rõ hơn về tính an toàn và rủi ro của ASO, khiến nó trở thành liệu pháp lý tưởng đầu tiên trong nỗ lực điều trị các rối loạn di truyền hiếm gặp, do đó việc thử nghiệm rộng rãi trước khi dùng cho bệnh nhân là không khả thi.
Tương lai của ASO và thuốc oligonucleotide
Ngày nay, 45 năm sau khi phát hiện ra antisense và 25 năm sau khi phát hiện ra RNAi, 13 loại thuốc thuộc loại này đã được phê duyệt sử dụng. Điều này bao gồm chín ASO (4 ASO phân giải và 5 SSO) và bốn siRNA.
Mặc dù những thành công đã đạt được vẫn còn nhiều việc phải thực hiện. Cũng giống với bất kỳ liệu pháp điều trị thế hệ tiếp theo nào, việc cân bằng sự hấp thu của tế bào và hiệu lực ngoài mục tiêu tối thiểu (off-target effects, hay OTE) và độc tính vẫn là những thách thức lớn. Việc tìm ra vị trí gắn kết ASO-RNA mục tiêu tối ưu đáp ứng các tiêu chí trên đòi hỏi phải kết hợp nhiều phương pháp. Quá trình lai ASO-RNA có thể bị cản trở bởi nhiều yếu tố, từ cấu trúc thứ cấp của RNA đến sự tương tác của chúng với axit nucleic và protein nội bào, có thể ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của ASO với RNA mục tiêu. Các hợp chất tiềm năng cho nghiên cứu phát triển thuốc ASO phải được sàng lọc cả trong tế bào trên và hệ thống mô hình động vật để xác định các hợp chất phù hợp và hàng trăm đến thậm chí hàng nghìn ASO được sàng lọc trước khi chọn ra các hợp chất dẫn đường để tiếp tục nghiên cứu.
Kết luận: ASO— trụ cột trong y học di truyền
Ngày nay, “kho vũ khí nhắm mục tiêu gen” bao gồm nhiều tùy chọn từ ASO và RNAi đến CRISPR-Cas9 và các nền tảng chỉnh sửa bộ gen mới hơn. Mỗi cái đều có ưu điểm và nhược điểm. Là công nghệ nền tảng của loại tác nhân này, ASO có đặc tính an toàn tốt nhất đối với con người. Tác giả hy vọng rằng sự kết hợp giữa hóa học tổng hợp, tin sinh học và các công cụ tính toán sẽ giúp mở đường cho các ASO mạnh, chọn lọc và không độc tính như một cơ sở của các loại thuốc di truyền trong tương lai.
Nguồn:https://www.genengnews.com/topics/omics/utility-of-antisense-oligonucleotides-asos-in-next-generation-biotherapeutics/