CN Bio器官芯片｜核酸療法的ADMET分析（上）

發布時間：2025/03/27 點擊數：372

寡(gua)核苷酸療法的興起，用以(yi)人(ren)為本(ben)的方法克服ADMET開發挑戰(zhan)

一、前言：探索未知的奇妙之旅

前(qian)沿(yan)新模(mo)式藥物或advanced therapy是指超越(yue)傳統小分子方法(fa)的(de)創新方法(fa)，能夠更(geng)準確、更(geng)有效(xiao)地針對疾(ji)病(bing)。

它們旨在治療難以用傳統療法治療且可能被歸類為“無藥可用”的復雜疾病和病癥。根據BCG 的《2024 年新藥模式報告》[1]，新模式在制藥/生物技術預計管線價值中占 1680 億美元，比 2023 年增長14%。到2029年，分析師預測排名前 10 位的藥物中將有 9 種是新模式。盡管抗體占后期臨床前管線的大部分，但在早期階段可以發現許多其他模式，包括更適合細胞內靶點的寡核苷酸。

然而，寡核苷酸具有獨特的開發挑戰，需要適應臨床前測試工作流程。一個主要的挑戰與體內測試有關。由于人類和非人類靈長類動物 (NHP) 之間的核酸堿基序列高度保守，因此它們被較廣使用，但價格昂貴。然而，即使是 NHP 也可能錯誤地預測人類反應——正如 2006 年單克隆抗體 TGN1412 的 1 期臨床試驗所證明的那樣。由于恒河猴 CD4+ 效應記憶 T 細胞缺乏 CD28 表達，六名健康志愿者患上了危及生命的疾病(Eastwood等人， 2010)[2]。因此，在體內研究之前確保您對寡核苷酸的遞送、安全性和有效性有盡可能多的信心，有利于很大限度地降低風險。

為(wei)(wei)了實現(xian)(xian)這一目標，臨床前工具箱需要現(xian)(xian)代(dai)化(hua)，以變得更加以人(ren)為(wei)(wei)本。新(xin)方法 (NAM)，包(bao)括器官芯片 (OOC)，為(wei)(wei)解決許多發展挑戰提供了可(ke)行的途(tu)徑。而且，隨著 FDA 現(xian)(xian)代(dai)化(hua)法案(an) 2.0 于 2022 年通(tong)過，監(jian)管機構(gou)支持在適當(dang)情(qing)況下使用新(xin)方法代(dai)替(ti)動物試(shi)驗來(lai)評估藥物的安全性和(he)有效性。

在本系(xi)列中，我(wo)們(men)(men)首先(xian)探討了為(wei)什(shen)么基于(yu)寡核苷酸(suan)的療法(fa)越來(lai)越受歡(huan)迎，它們(men)(men)的 ADMET 發現和開發挑戰(zhan)，以(yi)及體(ti)外人類 OOC 模型如何通過(guo)提供數據豐(feng)富的見(jian)解來(lai)幫助(zhu)規避這(zhe)些問題(ti)，下(xia)一期我(wo)們(men)(men)將(jiang)用2個分(fen)別(bie)與葛(ge)蘭素(su)史克公司 (GSK) 、阿斯利康（AstraZeneca）合作(zuo)的器官芯片案例來(lai)說明(ming)，OOC在該領(ling)域的突出(chu)益處(chu)，從而更好地支持(chi)或證(zheng)明(ming)體(ti)內非人靈長類（NHP）或人體(ti)研究的費用合理性(xing)問題(ti)。

二、為何基于寡核苷酸的療法越來越受歡迎？

基于寡核苷酸的療法或基于RNA的療法是干擾特定 RNA 的短寡核苷酸序列。它們包括反義寡核苷酸 (ASO)、RNA 干擾 (RNAi)、小干擾 RNA (siRNA)、microRNA (miRNA) 和適配體（aptamers）。人們對寡核苷酸治療的興趣源于對人類基因組的深入理解及其與多種疾病的遺傳關聯。此外，與傳統小分子藥物相比，寡核苷酸類藥物的研發過程相對較快，并且對各類規模的機構都具有較高的可及性。

1998 年至 2024 年期間，約有 18 種基于寡核苷酸的療法獲得了市場批準（請查看文末附表2）。近年來，寡核苷酸類治療取得了重要進展，其中一個關鍵因素是遞送系統的應用，如脂質納米顆粒（LNPs）和N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）偶聯技術，使藥物能夠靶向肝臟用于治療肝臟疾病。例如，2016年，治療轉甲狀腺素淀粉樣變性（ATTR）的Patisiran（商品名Onpattro）采用LNPs遞送siRNA至肝臟。2019年，利用GalNAc偶聯技術靶向肝臟的Givosiran（商品名Givlaari）獲批用于急性肝卟啉病（一組罕見的遺傳性代謝疾病）的治療。

利(li)用糖分子GalNAc進行(xing)肝臟靶向治(zhi)療(liao)的(de)機制依賴(lai)于無唾液酸(suan)糖蛋白(bai)受(shou)(shou)(shou)體（ASGPR），該受(shou)(shou)(shou)體主(zhu)要存在(zai)于肝細胞(bao)表(biao)面(mian)。GalNAc偶聯的(de)寡核苷(gan)酸(suan)能(neng)夠高親和力結合ASGPR，并(bing)通過內吞(tun)作用迅速從全身循環中清除(chu)。一(yi)旦進入(ru)細胞(bao)，治(zhi)療(liao)性(xing)寡核苷(gan)酸(suan)便從受(shou)(shou)(shou)體中釋放(fang)，并(bing)通過靶向特定信使(shi)RNA（mRNA）序列(lie)發(fa)揮(hui)治(zhi)療(liao)作用。這一(yi)策略(lve)不僅提高了(le)藥物的(de)效(xiao)(xiao)力和有效(xiao)(xiao)性(xing)，使(shi)其在(zai)更低劑量下即可(ke)發(fa)揮(hui)作用，還減少(shao)了(le)非靶向效(xiao)(xiao)應，并(bing)可(ke)能(neng)延長給藥間隔，同時降低免疫(yi)原(yuan)性(xing)。隨著研究和開發(fa)的(de)持(chi)續推進，基(ji)于GalNAc的(de)療(liao)法在(zai)治(zhi)療(liao)遺(yi)傳(chuan)(chuan)疾病(bing)、代謝疾病(bing)以(yi)及傳(chuan)(chuan)染(ran)病(bing)等多(duo)種疾病(bing)方面(mian)展現出巨大的(de)未來潛力。

2021年，諾和諾德（Novo Nordisk）收購了Dicerna，以充分利用這一(yi)領(ling)域的潛(qian)力。隨后，2023年《Bioprocess International》的一(yi)篇報(bao)道引用了諾和諾德研(yan)究與(yu)早期開(kai)發執行副(fu)總(zong)裁Marcus Schindler的話，他(ta)表示：“目前我的管線中相(xiang)當大(da)一(yi)部分是寡核苷酸類藥(yao)物(wu)。” 他(ta)解釋說(shuo)，原(yuan)因在于(yu)“構建一(yi)個工具箱(xiang)，以加速我們(men)在藥(yao)物(wu)發現(xian)方面(mian)的工作(zuo)。”

關(guan)于諾和諾德(de)如何(he)支持寡核(he)苷酸藥物(wu)的(de)(de)開發，他進(jin)一步指出：“首先，我們(men)采用了一種(zhong)以(yi)人為本的(de)(de)方式來理解復(fu)雜的(de)(de)生物(wu)學機制。我們(men)的(de)(de)研究始于能夠模(mo)擬我們(men)關(guan)注的(de)(de)物(wu)種(zhong)——即人類的(de)(de)數據集和實驗(yan)模(mo)型。”

那么(me)，為(wei)什么(me)這一類藥物(wu)需要更(geng)加以人為(wei)中心的(de)研究(jiu)方法？在其發現(xian)和開(kai)發過程(cheng)中，又(you)存(cun)在哪些挑戰，使得我(wo)們需要重新(xin)思(si)考(kao)前臨床研究(jiu)工具箱的(de)構建(jian)？

三、寡核苷酸治療肝病的ADMET挑戰

寡核(he)(he)苷酸類藥物(wu)的吸收（Absorption）、分(fen)布（Distribution）、代謝（Metabolism）、排泄(xie)（Excretion）和(he)毒理(li)學（Toxicology，簡稱ADMET）方面的挑戰(zhan)與(yu)前述觀點密(mi)切(qie)相關。寡核(he)(he)苷酸不同(tong)于傳統小分(fen)子化合物(wu)，而動物(wu)也并非人類。

寡核苷酸可通過多種機制發揮其預期的藥理作用，但較常見的方式是利用互補的核苷酸堿基序列，與細胞內核酸的靶向序列結合。其中，一些寡核苷酸可能對人類高度特異，因此在研究中不得不使用非人靈長類（NHP），甚至在某些情況下無法使用其他非人動物物種。測試物種活性替代性寡核苷酸（surrogate oligonucleotides）是一種解決方案，但這并不能改變動物并非人類這一根本事實。

計算模擬（in silico）和體外實(shi)驗（in vitro）方(fang)(fang)法(fa)可用于識別潛在的脫靶雜交(jiao)效應（off-target hybridization effects），但這些方(fang)(fang)法(fa)各有(you)局限性：

? 體外(wai)模型的生理相關性有(you)限（這一點(dian)將在后文詳(xiang)細探(tan)討）；

? 計算模型的(de)準(zhun)確性則取決于輸入數據的(de)質(zhi)量和完整性。

在肝病的(de)寡核苷酸治(zhi)療開發及其(qi)前(qian)臨(lin)床ADMET評估(gu)過程中，仍然存在諸多挑戰。下(xia)表（表1）總結了其(qi)中非常(chang)關鍵的(de)問(wen)題。

寡核苷酸治療的ADMET分析關鍵挑戰

表1：寡核苷酸治療的(de)ADMET分析關鍵挑(tiao)戰

四、器官芯片模型如何促進寡核苷酸療法在肝病 ADMET 研究中的進展

上述挑戰凸顯了創新方(fang)法(fa)（如 OOC（器官(guan)芯片，Organ-on-a-Chip））在提高寡核苷酸藥物臨(lin)床前測(ce)試預(yu)測(ce)能力方(fang)面的(de)(de)重要性。OOC，又稱(cheng)為微生理系統(tong)（MPS，Microphysiological Systems），將(jiang)構(gou)建特定器官(guan)級響應(ying)的(de)(de)功能性組(zu)織所需(xu)的(de)(de)技術整合到微型化的(de)(de)系統(tong)中。

為了模擬肝臟環境，OOC 模型通常使用人原代肝細胞（PHHs，Primary Human Hepatocytes），并根據需要加入肝臟駐留免疫細胞（如庫普弗細胞（Kupffer cells））培養形成 3D 微組織，并在專門設計的支架中進行培養。這些微組織通過培養基持續灌流以模擬血流環境，從而提供氣體交換和營養輸送。這種動態 3D 微環境使得肝細胞的存活和功能維持數周（通過白蛋白和乳酸脫氫酶水平進行量化），相比之下，傳統 2D 體外肝細胞培養僅能維持幾天。

OOC旨在克服傳統臨床前模型的局限性，提高人體生理相關性，并支持動物模型的合理使用。它幫助研究人員僅推進更具潛力的候選藥物進入后續試驗，同時在缺乏藥理學相關模型的情況下，提供更有價值的決策依據。

1、OOC 模型如何應對 ADMET 挑(tiao)戰？

（1）長期培養(yang)能力

? 相較(jiao)于(yu)靜態 PHH 細(xi)胞培養，OOC 細(xi)胞培養體系的長壽命使得寡核(he)苷酸濃度效應可被準確測量。

? 通過(guo)對肝微組織給藥并隨時間測量寡核苷酸攝取及(ji)基因敲低效應，可(ke)以更好(hao)地評估其作用。

? 由于基因敲低效應通(tong)常需要較(jiao)長(chang)時間(jian)才能(neng)顯現(xian)，OOC 的長(chang)期培養特性能(neng)提供(gong)更準確的結果。

（2）重復給藥實(shi)驗

? 由于 OOC 系統(tong)可長期維持(chi)細胞功(gong)能，因此研(yan)究人員可以(yi) 進(jin)行多次(ci)寡(gua)核苷酸給藥(yao)，以(yi)優化用藥(yao)策略，從而(er)在進(jin)入體內(nei)動物實(shi)驗或首(shou).次(ci)人體試驗（FIH，First-in-Human）前獲得關(guan)鍵數據。

（3）監測免疫細胞(bao)活(huo)化及安全性評估

? Liver-on-a-chip（肝芯片）系(xi)統(tong)可在(zai)(zai)整(zheng)個實驗(yan)過程(cheng)中動態監(jian)測肝細(xi)胞健康(kang)狀況，識別潛在(zai)(zai)不良反應，例如先(xian)天免疫(yi)細(xi)胞活化等毒性效應。

（4）優(you)化計算(suan)模擬（in silico）預(yu)測能(neng)力(li)

? 人體相關數據可(ke)作(zuo)為輸入信息，優化計(ji)算機模(mo)擬(ni)模(mo)型（in silico models），提(ti)高(gao)藥物 ADMET 預(yu)測的準確性。

2、Liver-on-a-chip 在(zai) ADMET 研究中的應(ying)用

美(mei)國(guo)FDA已認可肝芯片在(zai)小分子藥(yao)物(wu)代謝、蓄(xu)積及(ji)毒性測(ce)試方面優于傳統方法(fa)[3]。目(mu)前(qian)，制藥(yao)及(ji)生物(wu)技術公司正在(zai)通(tong)過英國(guo)CN Bio PhysioMimix OOC 或CRO合同研究(jiu)服務[4]，探索其在(zai) 寡核苷酸療法(fa)ADMET研究(jiu)中的應用潛力(li)。

下一期我們將用(yong)近(jin)期的(de)2個分別(bie)與葛蘭素史克(ke)公司 (GSK) 、阿斯利康（AstraZeneca）合作的(de)器官(guan)芯片案例，來說明(ming)，OOC在該領域的(de)突出(chu)益處，從而更(geng)好地支(zhi)持或證明(ming)體內非人(ren)靈長類（NHP）或人(ren)體研究的(de)費用(yong)合理性問題，敬請關注。

[1]

[2]

[3]

[4]

1998年至2024年美國食品藥品監督管理局批準的寡核苷酸療法