综述：治疗性RNA分子的合理设计

《TRENDS IN Chemistry》：Rational design of therapeutic RNA molecules

本综述系统阐述了治疗性RNA的合理设计框架，该框架整合化学合成、结构生物学与计算生物学方法，成功解决了RNA稳定性、免疫原性、效价和靶向递送等关键挑战。文章重点展示了mRNA疫苗等代表性成果，为开发更安全高效的RNA药物（包括mRNA、siRNA、CRISPR-Cas9向导RNA等）提供了重要指导。

　　

Highlights

治疗性RNA合理设计正在通过精确设计RNA分子实现特定治疗成果，从而彻底改变医学。合理RNA设计正在推动各种RNA的显著进步，包括mRNA、反义寡核苷酸（ASO）、小干扰RNA（siRNA）、微小RNA（miRNA）、RNA适配体（Aptamer）以及用于CRISPR-Cas⁹系统的向导RNA（gRNA），应用于广泛的疾病谱。它利用计算工具和实验技术来理解和操纵RNA的结构与功能，从而增强稳定性、最小化不良免疫原性、提高治疗效价（valency）并实现精确的靶向递送。协同合理的设计已通过严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）mRNA疫苗的成功临床应用得到验证。

Abstract

治疗性RNA分子经历了深刻的变革，从小RNA的有限应用演变为多样化的RNA类型，这些RNA靶向细胞调控的多个层面，用于治疗先前无法治愈的各种疾病。本综述介绍了一个通用的设计框架，该框架整合了化学合成、结构生物学和计算方法，以克服RNA治疗学中的关键挑战。我们探讨了该框架如何增强RNA稳定性、最小化不良免疫原性、提高治疗效力并实现靶向递送。我们还重点介绍了这种协同作用的一个典型例子：近期大流行期间mRNA疫苗的快速开发和成功。该框架为研究人员提供了指导，使他们能够为更广泛的疾病创造更有效、更安全、高度特异性的RNA药物。

治疗性RNA的演变与挑战

治疗性RNA领域已经从一个相对狭窄的研究范畴，发展成为生物医学前沿的焦点。其应用不再局限于早期的小分子RNA（如反义寡核苷酸），而是涵盖了信使RNA（mRNA）、小干扰RNA（siRNA）、微小RNA（miRNA）、RNA适配体以及CRISPR-Cas⁹基因编辑系统中的向导RNA（gRNA）等多种形式。这些分子能够干预基因表达、蛋白质翻译和细胞信号通路等多个层面的生物学过程，为从遗传病、癌症到传染性疾病等多种难治性疾病提供了前所未有的治疗机遇。

然而，将RNA分子转化为有效的药物面临着一系列严峻挑战。首先，RNA分子在体内环境中天然不稳定，容易被核糖核酸酶（RNase）快速降解。其次，外源RNA进入人体后可能被先天免疫系统识别（例如通过Toll样受体TLRs），引发不必要的免疫反应，这既可能削弱疗效，也可能导致安全性问题。此外，如何让治疗性RNA精确地到达病变细胞或组织（即靶向递送），并高效地进入细胞内部发挥作用（即细胞内化），是另一个核心瓶颈。最后，治疗效力（potency）的不足也常常限制其临床应用效果。这些挑战共同构成了RNA药物开发的主要壁垒。

理性设计框架：多学科协同攻坚

为了系统性地解决上述挑战，研究者们提出了一个整合了化学合成、结构生物学和计算方法的理性设计框架。这个框架不是孤立地看待每个问题，而是将其视为一个相互关联的系统，通过多学科工具的协同作用来寻求最优解。

在化学修饰方面，对RNA核苷酸骨架进行精心设计的化学修饰是增强稳定性和降低免疫原性的基石。例如，在核糖的2'-位进行修饰（如2'-O-甲基化，2'-氟代）或使用硫代磷酸酯（Phosphorothioate, PS）连接骨架，可以显著提高RNA对酶降解的抵抗力，并改变其与免疫受体的相互作用模式。这些修饰需要精确平衡，因为过度的修饰可能会影响RNA的功能活性，如其与靶标结合的能力或参与蛋白质翻译的效率。

结构生物学，特别是通过X射线晶体学、核磁共振（NMR）和冷冻电子显微镜（cryo-EM）等技术解析RNA及其与蛋白质复合物的三维结构，为理性设计提供了原子级别的蓝图。理解了RNA的二级结构（如茎环、发夹）和三级结构，有助于预测其稳定性、结合位点以及与其他分子的相互作用。这为优化RNA序列和结构，以实现更高亲和力和特异性提供了直接依据。

计算生物学和生物信息学工具在这个框架中扮演着“智能引擎”的角色。通过分子动力学模拟、自由能计算和机器学习算法，研究人员可以在计算机上大规模虚拟筛选和优化RNA序列，预测其折叠状态、稳定性、与靶标的结合能力以及潜在的脱靶效应。这极大地加速了先导化合物的发现和优化过程，减少了传统实验筛选的成本和时间。

框架的应用成效：从稳定性到靶向递送

应用这一综合设计框架，已经在几个关键性能指标上取得了显著进展。

在增强稳定性方面，通过化学修饰和序列优化（如调整GC含量、引入稳定化结构元件），治疗性RNA在血清和细胞内的半衰期得以大幅延长。例如，现代mRNA疫苗中广泛使用的核苷修饰（如用假尿苷ψ替代尿苷）和优化后的非翻译区（UTRs）序列，共同确保了mRNA在体内能够持久稳定地存在，从而指导足量抗原蛋白的产生。

在最小化免疫原性上，理性设计通过选择特定的修饰核苷（如m¹Ψ， m⁵C）和避免特定的序列模式（如富含尿苷的序列），有效地“欺骗”了免疫系统，使其将治疗性RNA识别为自身类似物质，而非外来病原体相关分子模式（PAMPs），从而避免了强烈的炎症反应。

在提高治疗效价方面，设计策略着眼于优化RNA的翻译效率（对于mRNA）或基因沉默效率（对于siRNA/gRNA）。这包括优化密码子使用以适应宿主细胞、设计更有效的启动子/增强子序列（在DNA模板层面），以及确保RNA诱导的沉默复合物（RISC）或CRISPR-Cas⁹复合物能够高效组装和发挥作用。

在实现靶向递送方面，理性设计聚焦于递送载体。脂质纳米粒（LNP）是当前最成功的递送平台之一。通过对LNP各组分的理性设计（如可电离脂质、辅助脂质、PEG化脂质和胆固醇的比例与结构优化），可以精确调控纳米粒的大小、表面电荷（Zeta电位）、以及在体内的分布特性。通过在LNP表面偶联特异性配体（如抗体、肽段、适配体），可以进一步实现细胞或组织特异性的主动靶向，将RNA药物精准递送到肝脏、肿瘤或特定免疫细胞。

成功典范：mRNA疫苗的飞速发展

SARS-CoV-2 mRNA疫苗的迅速开发和巨大成功，是上述理性设计框架协同作用最有力的证明。在极短的时间内，研究人员利用成熟的化学修饰技术（修饰核苷）、计算优化的序列（密码子优化、GC含量调整、UTR设计）以及高效的LNP递送系统，构建出了高效、安全的疫苗平台。这一过程充分展示了如何通过系统性设计，将一种原本脆弱的分子转化为能够引发强大保护性免疫反应的全球性医药产品。mRNA疫苗的成功不仅是对抗COVID-19疫情的关键，更彻底验证了RNA治疗平台的可行性和巨大潜力，为未来应对其他传染病、癌症疫苗乃至蛋白替代疗法铺平了道路。

展望未来

治疗性RNA的理性设计框架已经展现出其强大的生命力和变革性影响。它使得研究人员能够像工程师一样，基于对RNA结构-功能关系的深刻理解，系统地设计和优化治疗分子。随着化学修饰库的不断扩充、结构解析技术的日益精准、计算预测能力的持续提升以及递送技术的进一步创新，这一框架将不断得到完善。未来，我们可以预期看到更多更有效、更安全、更具靶向性的RNA药物涌现，用于治疗更广泛的疾病，最终实现个性化精准医疗的宏伟目标。这个框架将继续作为指南针，引领RNA治疗领域驶向更深邃、更广阔的医学新前沿。