2. 北京大学实验动物中心, 北京 100871
李军(1970-),男,博士,副研究员,研究方向:药物研发,通讯作者,E-mail:likejun@pku.edu.cn
2. Laboratory Animal Centre Peking University, Beijing 100871, China
1998年,Fire等[1]发现了一些小双链RNA可以诱导特异性序列的转录后基因沉默,并将该现象命名为RNA干扰(RNA interference,RNAi)。诱导该现象的双链RNA包括外源性的siRNA,内源性的microRNA (miRNA)和短发夹RNA (short hairpin RNA,shRNA)。其中,siRNA (21-23nt)应用最广,siRNA在体内通过诱导生成基因沉默复合物(RNAi-induced silencing complex,RISC),特异性的降解目的基因的mRNA,从而使目的蛋白表达量下调。2001年,Elbashir等[2]用体外合成的双链siRNA沉默了哺乳动物细胞内相关基因的表达,为siRNA类基因治疗型药物的发展奠定了基础。但是,由于siRNA分子质量较大(14 000 u左右),且带有大量负电荷,无法顺利穿越细胞膜到达细胞内,容易从尿内排出,外加siRNA自身的不稳定性、易被降解、半衰期短、易引起免疫反应、难以从核内体中逃逸,这些因素导致siRNA生物利用度降低,影响其临床应用。
为了提高siRNA的稳定性,可以通过对siRNA骨架和基团的修饰进行解决。然而,如何提高siRNA体内的生物利用度,才是siRNA 能否广泛应用的关键。利用载体递送siRNA,是一种有效的方法,本文就此方面的最新进展做一综述。
1 基于载体的siRNA递送系统基于载体的siRNA的递送系统目前主要分为非病毒性载体递送和病毒性载体递送。相比于病毒类载体,非病毒类载体以其低免疫性、低毒性和安全性好等特点成为RNAi领域研究的热点。非病毒类载体根据化学结构特点,可分为脂质体、聚合物、多肽类抗体和适配体。
1.1 脂质体脂质体基本结构是由亲水核和磷脂双分子层构成,具备类似生物膜的磷脂双分子层,拥有很高的生物相容性,这也使得脂质体成为目前最受欢迎,应用最广泛的siRNA载体。脂质体介导的siRNA递送主要将脂质体与siRNA相连或者将siRNA包裹到脂质体内,保护siRNA不被RNA酶降解,提高siRNA的膜通透性,从而促进细胞的吸收。脂质体还可被进一步修饰,如用聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG )修饰脂质体siRNA复合物,可以明显延长复合物在血液循环中存留的时间,并且避免被单核巨噬细胞系统所吞噬[3]。脂质体按其带电荷性又可分为阳离子脂质体、阴离子脂质体和中性离子脂质体三大类。
1.1.1 阳离子脂质体阳离子脂质体是脂质体中乃至所有siRNA载体中最常见的,应用最广泛的载体。阳离子脂质体具有生物可降解性并且可以有效的保护siRNA避免被RNA酶降解。阳离子脂质体由亲水头部、连接器和亲酯尾部组成,它们的结构、长度和性质都会影响 siRNA 的递送效率和脂质体的细胞毒性[4]。目前,一些阳离子脂质体已被广泛应用于siRNA递送,例如Invitrogen公司lipofectamine系列和DOTAP (1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane,DOTAP)等。其中,lipofectamine系列是体外siRNA递送最常见的载体,在体外试验中有着很高的转染效率,能有效地递送siRNA至细胞内[5]。在动物模型中,Hattori等[6]通过静脉注射的方式,将基于DOTAP的阳离子脂质体/荧光素siRNA(Luciferase,Luc-siRNA) 复合物成功递送至乳腺癌转移的肺癌小鼠肿瘤内,降低了目的基因的表达。阳离子脂质体在体外siRNA递送方面取得很大的成功。但是,由阳离子脂质体高电荷密度引起的高毒性以及非特异性限制了其体内的应用。将阳离子脂质体应用于小鼠体内模型时会引发剂量依赖型毒性、肺部炎症以及肝毒性。另外,阳离子脂质体还可以激活体内补体系统而被巨噬细胞和网状内皮系统清除,这在很大程度上限制了siRNA 在体内递送的应用。
1.1.2 中性离子脂质体中性离子脂质体是指表面不带电荷的脂质体。相对于阳离子脂质体,中性离子脂质体具有毒性低、体循环时间长和体内副反应少等优点。常见的中性离子脂质体有二油酰磷脂酰胆碱(dioleoyl phosphatidylcholine,DOPC)和胆固醇。Pecot等[7]分别在肺肿瘤模型和结肠肿瘤模型中,将KRAS-siRNA包裹在DOPC纳米微粒内递送至小鼠体内,发现DOPC/siRNA复合物在两种动物模型中都明显的抑制了KRAS基因的表达,以及原发肿瘤的增殖和转移。
1.1.3 阴离子脂质体阴离子脂质体具有安全性高、生物降解性好且基本无细胞毒性等特点。常见的阴离子脂质体通常是由阴离子脂类二油酰磷脂酰甘油(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phospho-(1′-rac-glycerol),DOPG)和两性离子脂类二油酰磷脂酰乙醇胺(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphatidylethanolamine,DOPE)混合而成。
阴离子脂质体需要通过Ca2+与siRNA形成复合物,带正电荷钙离子促进阴离子脂质体和siRNA之间的复合,DOPE可提升复合物在核内体中的逃逸率。Kapoor等[8]用1 mg·L-1的DOPG/DOPE(4 ∶ 6),2.4 mmol·L-1的Ca2+以及10 nmol·L-1 eGFPsiRNA构成脂质体siRNA复合物,在体外试验中展现出70%基因敲出效率,且无细胞毒性,在血清中展现出很好的稳定性,这为阴离子脂质体体内递送打下基础。
1.2 聚合物介导的siRNA递送聚合物介导的递送系统早已广泛用于质粒DNA的递送,近些年才被用于siRNA体内递送。跟大多数基于脂质体的递送系统一样,聚合物递送siRNA也需要阳离子作为核心。阳离子聚合物通过静电吸附作用与siRNA自组装成微粒,从而保护siRNA不被核酸酶降解。阳离子多聚物相比于其他载体最大的优点就是与siRNA结合非常简单,只需要简单的混匀即可。阳离子聚合物类载体从大小上来说大部分都属于纳米材料类,按来源通常可以分为合成型和天然型。合成型阳离子聚合物有线型和树突型的聚乙烯亚胺 (polyethyleneimine,PEI)、环糊精等;天然型阳离子聚合物包括壳聚糖、端胶原等。
1.2.1 聚乙烯亚胺 (polyethyleneimine,PEI)PEI是目前应用最广泛的介导siRNA递送的聚合物载体。PEI 具有很宽的分子量范围,且分子结构中带有大量的质子化的仲胺基基团和叔胺基基团。因此,在生理条件下PEI具有很高浓度的阳离子表面电荷。表面电荷浓度越高,PEI与siRNA中带负电的磷酸基团就会结合的越紧密,对siRNA的保护就相应的越强。除“质子海绵体效应”外,PEI还具有很强的缓冲能力,环境适应性强,在pH较低的核内体中依然能协助siRNA逃逸到细胞质中。Hang等[9]用jetPEITM作为载体将T细胞死亡相关基因 8(T-cell death-associated gene 8,TDAG8)siRNA递送至大鼠脊髓背角神经细胞中,转染效率高达98.9%,对TDAG8 mRNA的抑制率高达88%。尽管PEI具有很多优点且在体外试验中体现出很高的转染和沉默效率,但是仍然无法掩盖其高毒性的缺点。PEI的细胞毒性随分子质量以及分支结构的增加而增加。因此,相比于高分子质量的PEI(>25ku),低分子量的PEI( < 5ku)更适合作为siRNA的载体。为降低PEI的细胞毒性,除使用低分子质量PEI外,还有一些其他的方法。例如,对PEI多聚体进行PEG修饰,发现PEG修饰的PEI多聚体不仅可以使PEI细胞毒性降低,而且使PEI溶解性和稳定性增加,并且减少与血清蛋白的非特异性反应 lt; sup>[10]。
减小PEI细胞毒性的另一种方法是向小分子质量的PEI 分子( < 2ku)引入疏水性取代基,如脂类等。Aliabadi等 < sup>[11]用长度在C8到C18的脂类取代的小分子PEI作为载体,成功地介导乳腺癌耐药蛋白(breast cancer resistance protein,BCRP)siRNA的递送,使BCRP表达明显下降,且细胞毒性也明显降低。
上述例子都在降低PEI毒性的同时成功介导siRNA递送至靶细胞内,但这些例子仅仅局限于体外实验。在体内实验方面,最近Essex等[12]用DOPE修饰的低分子质量的PEI(1.8ku)与P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)siRNA形成的DOPE-PEI/siRNA复合物,通过静脉注射入MCF-7/ADR异种移植的小鼠体内,有效地抑制了瘤内P-gp基因的表达和肿瘤的增殖,相对于对照组,肿瘤体积明显减小,这也是目前首例用低分子质量PEI作为siRNA载体成功用于体内递送的研究。
1.2.2 环糊精除PEI外,基于环糊精(cyclodextrins,CD)的多聚阳离子纳米颗粒也被用作 siRNA 递送的载体。环糊精是一类自然成环状的低聚糖的总称,包含6(α-CD)、 7 (β-CD) 和8(γ-CD)葡萄糖单元。CD具有无免疫原性、无毒性和生物可降解性等特性。作为生物材料,CD通过了美国FDA安全认证,这也使得基于CD的载体研究成为目前最热门的载体研究之一。
CD拥有独特的化学结构,具有亲水性的外缘和疏水性的内腔。纯CD在水中只能形成疏水性的内腔,必须要经过一些特定的的修饰,才能作为载体与siRNA形成复合物。CD可与金刚烷(adamantane,AD)-PEG组合,再与靶向的配体如转铁蛋白(transferrin,Tf)复合,可形成稳定CD-PEG-transferrin纳米颗粒,该纳米颗粒可作为siRNA稳定载体,且CD末端的咪唑基可以协助siRNA在细胞内转运与释放。该颗粒在临床前实验中展现了很高的安全性,利用其递送靶向核苷酸还原酶亚基2(M2 subunit of ribonucleotide reductase ,RRM2)的siRNA,表现出强大的抗肿瘤能力,通过静脉注射多种剂量CD-PEG-transferrin/siRNA复合物,灵长类动物都表现出很好耐受,未出现补体激活及肝脏毒性等不良反应,当剂量高达27 mg siRNA·kg-1 时,才出现相对轻微的免疫反应[13]。
2010年,Davis等[14]在临床上将基于线型CD阳离子聚合物的纳米材料 CDP-PEG-hTf/ RRM2-siRNA成功的递送至患者的黑色素瘤中,明显抑制了RRM2的表达,并且取得了很好的治疗效果。这也是首次siRNA在临床上的成功应用,这一突破性的进展也直接证明了基于CD阳离子聚合物的临床应用价值。
尽管基于CD的siRNA载体成功应用于临床,但是相应的商业成本也是非常昂贵,基于CD的阳离子聚合物如何更好、更有效、更实惠应用于临床,还需进一步的努力。
1.2.3 壳聚糖天然的阳离子聚合物中,壳聚糖(chitosan,CS)作为载体的siRNA递送系统研究较多。CS由于具有天然阳离子特性以及低毒性、生物相容性、低免疫原性、易修饰和可降解等特性,成为可靠的siRNA体内递送的载体。在由亚硝基甲基脲诱导的乳腺癌的SD大鼠模型中,Salva 等[15]将血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)siRNA与低分子质量的壳聚糖(75ku)复合物注射入SD大鼠的肿瘤中(瘤内注射),21 d内持续观测肿瘤大小变化,结果证明CS/siRNA明显抑制VEGF的表达和肿瘤的生长。
然而,壳聚糖作为siRNA载体也有一定的限制,尤其是生理pH条件下的低溶解性和低缓冲能力,成为影响siRNA递送效率的主要障碍。
1.2.4 端胶原端胶原是一种用胃蛋白酶处理小腿皮肤后纯化得到的I型胶原。由于缺乏端肽,端胶原具有低免疫原性的特点。端胶原在生理条件下呈碱性,而核酸在生理条件下呈酸性。端胶原通过静电作用与siRNA形成复合物。端胶原可以促进细胞对siRNA的摄取,提高抗核酸酶能力,以及延长寡核苷酸的释放时间。Yoshifumi等[16]将抗凋亡因子Bcl-xL的siRNA与端胶原复合物通过尾静脉注射入人前列腺癌异种移植的小鼠体内,结果显示siRNA端胶原复合物有效地抑制了肿瘤细胞中Bcl-xL的表达以及肿瘤细胞的增殖。
端胶原具有极高生物安全性,并且通过美国FDA的安全认证。但是,目前关于端胶原作为siRNA载体在体内递送的研究报道并不是很多,很多方面尚待探索。
1.3 多肽、抗体和siRNA递送脂质体和聚合物介导的siRNA都面临毒性大、靶向性不强甚至脱靶以及微粒大小控制困难等问题。蛋白类载体可以很好的克服这些问题,其中最常见的有细胞穿透肽跟单链抗体。
1.3.1 细胞穿透肽(cell-penetrating peptides,CPP)CPP是一种可以穿透细胞膜进入细胞内部的短肽,大约由6到30个氨基酸残基构成。CPP最先是从 HIV-1转录激活因子(trans-activator of transcription,Tat)蛋白中发现的,到目前已经发现了很多不同的CPPs,其中比较常见有Tat肽、transportan 肽、penetratin肽和寡聚精氨酸肽(oligoarginine)等。CPPs具有低毒性、易修饰、应用范围广、穿透性强和能通过血脑屏障等优点。单独的CPP可以直接穿过细胞膜进入细胞内,携带siRNA的CPP则要通过内吞作用才能进入细胞内。CPP可以通过共价偶联和非共价结合与siRNA形成复合物。
共价结合中,CPPs可通过二硫键与siRNA共价结合,结合的二硫键可在细胞质中的谷胱甘肽的作用下断裂,从而成功的介导siRNA递送到细胞质中[17]。CPP也可通过静电作用与siRNA形成非共价复合物。这种方法的主要优点是siRNA没有化学修饰,因此保留了 siRNA的全部活性,减少了纯化程序。Andaloussi 等[18]设计了一种新型的多肽PepFect 6 (PF6),PF6与HPRT1(hypoxanthine phosphoribosyltransferase 1)siRNA通过非共价复合形成稳定的PF6/siRNA,该复合物在体外实验展现出很高的递送效率,并且在动物试验中,通过静脉注射PF6/siRNA可以有效的沉默肝、肾和肺部的HPRT1 mRNA水平。
然而,往往siRNA与CPPs共价结合时会降低CPPs对细胞膜的穿透能力,结合后的分子的空间阻力增大并且共价结合物难以从核内体中逃逸以及在体内递送中易被代谢降解。CPP与siRNA的非共价结合往往需要过量的CPP,而过量的阳离子 CPP 在递送过程中容易负离子发生副反应而影响siRNA的递送与干扰效率。
1.3.2 单链抗体单链抗体(single chain of variable fragments,scFv)由于具备靶向性好、分子质量小、穿透性强等特点而被用作siRNA载体。由于scFv与siRNA结合性较差,常需要一个多肽充当连接器。其中富含碱性氨基酸具备与核酸结合功能鱼精蛋白截短体(truncated protamine,tp)是最常见的连接器。具体方法就是将scFv与tp通过基因重组从而获得scFv-tp融合蛋白。因此,scFv-tp同时具有scFv的靶向性和tp的siRNA结合性,从而成为稳定的siRNA递送载体。scFv-tp依托scFv的特异性,通过与细胞表面的特异性受体结合进而将siRNA递送至靶细胞内,减少了siRNA的脱靶效应。
早在2005年,Song 等[19]就用gp160-scFv(F105)与tp的融合蛋白F105-P作为载体将EGFP siRNA递送至小鼠体内被HIV感染的CD4 T细胞中,有效的沉默目的基因的表达,抑制了HIV 病毒复制,并且在动物模型中,F105-P介导的多种原癌基因siRNA的体内递送也收获巨大的成功。这些结果强有力的证明了scFv-tp作为siRNA载体在体内递送的可靠性和高效特异性。之后,Yao等[20]用类似的方法,用人类 表皮生长因子2 (human epidermal growth factor receptor 2,Her2)受体的scFv-tp融合蛋白将PLK1-siRNA成功递送至Her2+的乳腺癌细胞系中,并且在动物模型中也能有效的抑制肿瘤的增殖和转移。
除了scFv-tp外,scFv与精氨酸九聚物(oligo-9-arginine,9R)组成的融合蛋白也可用于siRNA的递送。Kumar等[21]用CD7特异性的scFv与9R复合物scFvCD7-9R将CCR-5 siRNA和抗病毒siRNA递送小鼠体内,结果显示scFvCD7-9R/siRNA有效抑制HIV感染的小鼠体内病毒的复制以及CD4 T细胞的丢失,而且还可以提高小鼠对HIV的抗感染力。
特异性好是scFv作为siRNA载体最大的优点,但是也是由于特异性,决定scFv在广泛的应用上受到限制。对于不同类型的细胞和组织如肿瘤细胞,必须要先确定其表面特异性的标志物,然后方能确定特异性的scFv,继而构建载体。另外,由于scFv的不稳定性以及scFv介导siRNA递送的具体机制目前尚不清楚,scFv作为siRNA的载体还需要进一步的探索研究。
1.4 适配体介导的siRNA递送核酸适配体(aptamer)是一类能特异性地与各类生物靶标结合的短单链 DNA 或RNA。Apatamer具备类似抗体特异性的分子识别能力,可以选择性的结合受体或蛋白,且相比于抗体,aptamer具有低免疫原性、合成简单、易修饰等优点。目前研究比较成熟的是前列腺特异性膜抗原(prostate specific membrane antigen,PMSA)的适配体。 McNamara等[22]将PLK1 siRNA 与BCL-2siRNA 分别结合到A10 aptamer的3’末端构成嵌合物,成功地将嵌合物递送至靶细胞内,该嵌合物在体内也能有效抑制小鼠前列腺移植瘤的生长,这也是aptamer作为载体在体内递送的成功应用。随后,Dassie等[23]对A10-PLK1嵌合物进行了进一步优化,截断aptamer部分,交换siRNA正义链和反义链,在siRNA3’末端增加两个核苷酸长度并且进行PEG修饰,再将优化的嵌合物进行瘤内注射,结果显示,嵌合物可以明显抑制PMSA阳性肿瘤的生长,从而进一步证明aptamer介导的siRNA在体内的可行性。
除了靶向PMSA的aptamer外,其他的肿瘤细胞表面的过表达的蛋白的aptamer也可用于siRNA的递送,如前列腺癌表面αVβ3整合素的aptamer和乳腺癌表面过表达的人类表皮生长因子受体2(human epidermal growth factor receptor 2,HER2)的aptamer等。2014年,Lai等[24]证实了用靶向核仁素AS1411 aptamer(aptNCL)分别与SLUG(snail family zinc finger 2) siRNA和NRP1 (neuropilin 1)siRNA 构成嵌合物,这两种嵌合物可以协同有效的抑制肺肿瘤的生长和血管再生,降低肿瘤细胞的侵入性。
然而,aptamer-siRNA在应用于体内时,稳定性方面还有待于进一步提高,而且,基于aptamer的载体生产成本比较昂贵,这也在一定程度上限制了aptamer的商业化应用。
2 结语与展望RNAi从发现至今才短短10余年的时间,但对RNAi方面的研究是日新月异。RNAi开启了人类疾病治疗新纪元,推动人类整体分子生物学和生物医学的进展。siRNA作为一种新型强有力的治疗药物,相比于传统药物治疗,有着巨大的优势。siRNA非病毒载体的研究成果层出不穷,不同类型的载体各有短长。本文只是列举出比较典型非病毒载体的例子并稍加评述(Tab1)。目前国际上已有多个基于非病毒载体的siRNA治疗药物已经进入临床试验,如基于环糊精阳离子多聚物纳米微粒CALAA-01和基于脂类的纳米材料ALN-TTR02等[25]。尽管如此,但是基于非病毒类载体的siRNA类药物在实际应用上,仍存在许多障碍,非病毒类载体介导的siRNA在体内递送的研究还任重道远。
载体 | 类型 | 天然 vs 合成 | 靶向基因 | 优点 | 不足 | 参考文献 |
脂质体 | 阳离子脂质体(lipofectamine,DOTAP) | 合成 | HDAC2,Luci | 稳定,可生物降解,提高细胞摄取率 | 细胞毒性,能引起肝毒性炎症反应 | [5-6] |
中性脂质体DOPC | 合成 | KRAS | 生物降解性,低毒性 | 特异性有待提高 | [7] | |
阴离子脂质体DOPG/DOPE | 合成 | eGFP | 无毒,生物降解性 | 特异性有待提高 | [8] | |
聚合物 | PEI | 合成 | TDAG8,P-gp | 环境适应性好,保护性强具有质子海绵体效应 | 高毒性,特异性差 | [9-12] |
环糊精 | 合成 | RRM2 | 无毒,获FDA认证 | 成本高 | [13-14] | |
壳聚糖 | 天然 | VEGF | 无毒,生物降解性 | 水溶性差 | [15] | |
端胶原 | 天然 | Bcl-xL | 无毒,获FDA认证 | 有待进一步研究 | [16] | |
CPP | Tat | 合成 | VEGF | 低毒,穿透性强 | 无法从核内体中释放 | [17] |
PF6 | 合成 | 可从核内体中逃逸 | 副反应 | [18] | ||
scFv | scFv-tp | 合成 | Her2,gag,MDM2, VEGF | 特异性强,穿透性强 | 稳定性差,应用范围有限 | [19-20] |
scFv-9R | CCD5 | [21] | ||||
适配体 | aptPSMA | 合成 | PLK1 | 特异性强,免疫原性低 | 稳定性差,成本高 | [22-23] |
aptNCL | 合成 | SLUG NRP1 | 易修饰 | [24] |
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