袁慎俊,胡 衛(wèi),陳 濤
443002湖北省宜昌市,三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院
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·新進展·
RNA干擾在腫瘤治療中的研究進展
袁慎俊,胡 衛(wèi),陳 濤
443002湖北省宜昌市,三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院
【摘要】惡性腫瘤是威脅人類健康的一大殺手,目前所采取的手術(shù)、放化療等治療措施效果并不理想。本文介紹了RNA干擾(RNAi)的相關(guān)作用機制及其在腫瘤治療中的應(yīng)用,并敘述了RNAi用于治療時的遞送方式、引起的脫靶效應(yīng)和免疫反應(yīng),提示RNAi用于治療時存在的一些問題,通過進一步的研究,基于RNAi的腫瘤治療有望成為一種腫瘤治療新方法。
【關(guān)鍵詞】RNA干擾;腫瘤治療方案;脫靶效應(yīng);免疫反應(yīng)
袁慎俊,胡衛(wèi),陳濤.RNA干擾在腫瘤治療中的研究進展[J].中國全科醫(yī)學(xué),2016,19(12):1367-1370,1374.[www.chinagp.net]
Yuan SJ,Hu W,Chen T.Progress of RNAi technology for cancer therapy[J].Chinese General Practice,2016,19(12):1367-1370,1374.
RNA干擾(RNA interference,RNAi)是指在進化過程中高度保守的,由雙鏈RNA(dsRNA)誘發(fā)、同源mRNA高效特異性降解的現(xiàn)象。RNAi使特定基因沉默,是真核細胞中的一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機制,這種由21~23個核苷酸長度介導(dǎo)的小RNA常被稱為小干擾RNA(siRNA),其序列在真核生物進化中高度保守。將長dsRNA或短siRNA遞送進入生物體細胞內(nèi)均可引發(fā)RNAi,進而使特定基因表達沉默。RNAi能夠在真核生物細胞中抑制特定基因的表達,產(chǎn)生類似基因敲除的作用。
腫瘤是基于RNAi治療的主要靶點之一。許多體內(nèi)外研究表明,RNAi可用于治療單基因疾病和蛋白過度表達相關(guān)疾病[1]。在腫瘤生長、轉(zhuǎn)移、血管生成和化療等方面,通過RNAi技術(shù)沉默特殊基因的表達,許多臨床前研究已經(jīng)取得了可喜成果,且Ⅰ期臨床研究正在進行中[2-3]。但是將基于RNAi的腫瘤治療應(yīng)用于臨床,有兩個關(guān)鍵問題亟需解決:首先,如何高效向腫瘤細胞或組織遞送干擾RNA;其次,如何減少外源性siRNA引起的不良反應(yīng)。
1RNAi的作用機制
基因的表達具有選擇性,生物體內(nèi)存在一套RNA監(jiān)視系統(tǒng),能通過多種途徑產(chǎn)生異常dsRNA,進而干擾基因的表達。病毒基因、轉(zhuǎn)座子、人工轉(zhuǎn)入基因等外源基因隨機整合到宿主細胞基因組內(nèi),并利用宿主細胞進行轉(zhuǎn)錄時常產(chǎn)生一些dsRNA。對這些dsRNA,宿主細胞胞質(zhì)中的核酸內(nèi)切酶Dicer能夠?qū)sRNA切割成多個具有特定長度和結(jié)構(gòu)的小片段RNA(21~23 bp),即siRNA。siRNA在細胞內(nèi)RNA解旋酶的作用下解鏈成正義鏈和反義鏈,然后由反義鏈與胞內(nèi)一些酶(包括內(nèi)切酶、外切酶、解旋酶等)結(jié)合形成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物(RNA-induced silencing complex,RISC),RISC再與胞內(nèi)特異性mRNA的同源區(qū)結(jié)合,此時RISC具有核酸酶的功能,能在結(jié)合部位切割mRNA,切割位點是與siRNA中反義鏈互補結(jié)合的兩端。被切割后的斷裂mRNA隨即降解,進而誘發(fā)宿主細胞針對這些mRNA的降解反應(yīng)[2](見圖1)。siRNA不僅能引導(dǎo)RISC切割同源單鏈mRNA,而且可作為引物與同源RNA結(jié)合并在RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase,RdRP)作用下合成更多新的dsRNA,新合成的dsRNA再由Dicer酶切割產(chǎn)生大量次級siRNA,進而產(chǎn)生RNAi的放大效應(yīng),最終將更多的靶mRNA降解。

注:dsRNA=雙鏈RNA,siRNA=小干擾RNA,RISC=沉默復(fù)合物
圖1長dsRNA被Dicer酶切割成siRNA,繼而siRNA的反義鏈與一些酶形成RNA誘導(dǎo)的RISC,再由RISC切割mRNA誘導(dǎo)其降解
Figure 1Long dsRNA was cut into siRNA by Dicer enzyme,and antisense strand of siRNA and some enzymes formed RNA-induced silencing complex (RISC),then RISC was used to cut mRNA to induce its degradation
2RNAi在腫瘤治療中的應(yīng)用
腫瘤發(fā)生是多個基因相互調(diào)控、作用“失靈”的結(jié)果,當(dāng)前對腫瘤的保守治療主要是通過物理或化學(xué)的方法抑制DAN復(fù)制及細胞分裂增殖,進而殺死癌細胞,然而這些方法不可能完全抑制或逆轉(zhuǎn)腫瘤生長。RNAi可以利用同一基因家族的多個基因具有一段同源性很高的保守序列這一特性,設(shè)計針對這一序列的dsRNA分子,只導(dǎo)入一種dsRNA即可使胞內(nèi)多個基因同時沉默,從而促使癌細胞生長停滯。在RNAi治療中將抑制序列選擇在特定位點,可對部分有明確基因突變的癌細胞產(chǎn)生誘導(dǎo)凋亡作用。Rothdiener等[3]研究了一種脂質(zhì)體siRNA載體系統(tǒng),用于靶向遞送siRNA到CD33陽性急性髓性白血病細胞中,其siRNA是針對t(8;21)易位導(dǎo)致的AML1/ MTG8融合基因,結(jié)果顯示,siRNA能減少AML1/MTG8相關(guān)的mRNA和蛋白表達水平,降低急性髓性白血病細胞克隆增殖。此外,可通過使用腫瘤特異性啟動子如人端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(hTERT)、Survivin、環(huán)氧合酶2(COX-2)等引導(dǎo)針對某些癌基因或抗凋亡分子的siRNA或短發(fā)夾RNA(shRNA)進入腫瘤細胞,進而達到特異性殺傷腫瘤細胞的目的。Xu等[4]開發(fā)了一種siRNA表達盒用于篩選高效靶向性RNA干擾序列,用于肝癌的基因治療,8種hTERT特異性SECs(SEC-1~8)被成功構(gòu)建,與陰性對照的SEC比較,hTERT特異性SECs能明顯減少HepG2細胞中hTERT活性,明顯降低hTERT相關(guān)的mRNA和蛋白表達水平,通過SECs下調(diào)hTERT基因表達可引起HepG2細胞凋亡。
盡管化療藥物能有效殺滅腫瘤細胞,但對腫瘤細胞靶向性較差,在應(yīng)用化療藥物治療腫瘤的同時,也會殺傷較多正常細胞。實現(xiàn)腫瘤細胞的靶向性同樣也是以 RNAi為基礎(chǔ)的腫瘤治療的重要發(fā)展方向。針對不同基因的RNAi可有效抑制腫瘤細胞生長,這些靶基因包括:B淋巴細胞瘤-2(Bcl-2)、Survivin、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、表皮生長因子受體(EGFR)等。此外,RNAi還有化療增敏作用,Zhou等[5]研究發(fā)現(xiàn),蛋白激酶B(Akt)是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶,與胃癌化療敏感性相關(guān),通過RNAi技術(shù)將Akt1沉默慢病毒轉(zhuǎn)入胃癌細胞株SGC-7901和BGC-823中,可顯著提高細胞株對順鉑的敏感性。RNAi代替?zhèn)鹘y(tǒng)反義核酸進行轉(zhuǎn)錄后沉默基因,能高效特異地抑制目的基因表達,并且還可以根據(jù)患者不同病情,設(shè)計出個體化的治療方案。
3RNAi的理想遞送系統(tǒng)
由于siRNA的分子量較大和帶有負電荷,不能輕易跨越癌細胞膜進入細胞內(nèi),因此將siRNA高效、特異性遞送進入靶細胞或組織已成為RNAi技術(shù)的主要挑戰(zhàn)之一。目前各種RNAi遞送系統(tǒng)已被開發(fā),例如納米顆粒、基于脂質(zhì)的制劑、絡(luò)合聚陽離子[6]和病毒載體等,并在小鼠和非人靈長類動物模型中實驗。然而,這些方法均不能將siRNA特異性遞送進入癌細胞,有些siRNA只在典型應(yīng)用中才起作用,或者存在細胞毒性或潛在的免疫原性。
siRNA遞送的一個重要進展是成功應(yīng)用適配體——RNAi的嵌合體。適配體能與多種目標(biāo)物質(zhì)高特異性、高選擇性結(jié)合。例如,適配體可與前列腺癌細胞膜表面抗原(PSMA)的胞外域特異性結(jié)合,能夠高效遞送siRNA靶向前列腺癌的致癌基因。給予靶向PSMA-Plk1的siRNA或靶向PSMA-Bcl2的siRNA,可以導(dǎo)致前列腺癌異種移植腫瘤的小鼠腫瘤縮小[7]。另一種將siRNA遞送進入細胞的方法是穩(wěn)定核酸脂質(zhì)復(fù)合物(SNALPs)[8],對脂類復(fù)合物進行聚乙二醇(PEG)修飾使得復(fù)合物獲得親水性外層,從而增強其在血漿中的穩(wěn)定性。SNALPs還可荷載siRNA和改善細胞對siRNA的攝取及胞內(nèi)釋放。應(yīng)用SNALPs來遞送siRNA,其siRNA的效應(yīng)能持續(xù)>2周,誘導(dǎo)>90%的靶基因沉默,并且無任何毒副作用[9]。Di Martino等[10]證明膠囊化SNALPs遞送miR-34a顯示出了高效遞送和基因調(diào)節(jié)效率,并且沒有全身毒性,SNALP中的miR-34a在體內(nèi)和體外均能高效抑制多發(fā)性骨髓瘤細胞生長。另一項研究發(fā)現(xiàn),環(huán)磷酰胺(CTX)耦合的靶向性納米粒子SNALPs能夠選擇性結(jié)合神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞,對于非腫瘤細胞不具有親和性。此外,RNAi納米粒子介導(dǎo)的miR-21沉默在體內(nèi)、外能夠抑制膠質(zhì)母細胞瘤細胞增殖[11]。另一特異性靶向遞送方式是使用魚精蛋白抗體融合蛋白。ErbB2特異性單鏈抗體與魚精蛋白融合的重組融合蛋白能夠允許靶向ErbB2的siRNA進入ErbB2陽性的乳腺癌細胞[12]。注射F105-P(融合蛋白)包被的siRNAs靶向致癌基因c-myc、MDM2和VEGF,能夠有效降低人類免疫缺陷病毒(HIV)表達陽性B16黑色素瘤細胞增殖,但對正常組織或HIV表達陰性B16細胞沒有作用。
病毒載體通常用于遞送包括慢病毒、腺病毒、雙鏈腺相關(guān)病毒(AAVs)和皰疹病毒在內(nèi)的shRNAs或miRNAs[13-14]。腺相關(guān)病毒(AAV)由于低病原性和基因持續(xù)表達的特性成為了基因運輸工具。Sun等[15]揭示AAV-ARHP8病毒能夠大幅度減少雄激素受體(AR)調(diào)控的胞內(nèi)存活基因表達和引發(fā)凋亡反應(yīng),瘤內(nèi)注射AAV-ARHP8病毒能顯著抑制異種移植腫瘤的生長。大部分腫瘤細胞在基因轉(zhuǎn)錄時能夠表達hTERT,利用hTERT能提高AAV對腫瘤細胞的靶向性,hTERT啟動子引導(dǎo)的TRAIL基因表達能夠抑制腫瘤生長,因此AAV-hTERT-TRAIL復(fù)合物將是有效的抗腫瘤藥物[16]。在動物模型中,瘤內(nèi)注射AAV-hTERT-TRAIL能顯著抑制移植腫瘤的生長和導(dǎo)致腫瘤細胞凋亡[16]。此外,通過外部磁場將攜帶有磁性納米粒子的藥物富集在腫瘤內(nèi),可以防止納米粒子在到達腫瘤部位之前被代謝清除,因此,攜帶納米粒子的磁性靶向藥物被認為是一種新的腫瘤治療藥物[17]。
還有一些新的遞送系統(tǒng)可以提高siRNA通過全身遞送系統(tǒng)進入腫瘤區(qū)或提高靶向腫瘤細胞的特異性和有效性,如使用PEG聚乙二醇化,腫瘤特異性配體修飾的納米粒子結(jié)合光、熱或pH敏感組件等[18]。
4RNAi存在的問題
以細胞培養(yǎng)為基礎(chǔ)研究RNAi的相關(guān)藥物,這些藥物已用于臨床,并表現(xiàn)出與傳統(tǒng)藥物相比極大的優(yōu)勢。然而,近來發(fā)現(xiàn)這些藥物應(yīng)用于臨床面臨著幾個問題。雖然開發(fā)的許多載體系統(tǒng)提高了siRNA遞送到靶細胞的效率,但存在一些RNAi的安全性問題,特別是脫靶效應(yīng)和內(nèi)在免疫反應(yīng)[19]。
4.1克服RNAi的脫靶效應(yīng)siRNA可引起一些非靶基因的非特異性沉默或表達上調(diào),引起細胞凋亡或生長抑制,這種現(xiàn)象稱為脫靶效應(yīng)。脫靶效應(yīng)siRNA序列進入microRNA途徑,通過microRNA,干擾RNA可以不受完全互補限制而調(diào)控大量靶基因表達。原本需要19~23 nt的RNA序列完全互補才能發(fā)生干擾效應(yīng),而如果進入microRNA途徑,只需要11~15 nt互補就可以產(chǎn)生干擾作用,這使得siRNA可能與非靶基因結(jié)合而導(dǎo)致非靶基因沉默,造成脫靶效應(yīng)。脫靶效應(yīng)發(fā)生時,與靶基因有相似序列的基因也被抑制[20]。參與這一作用的機制是靶向干擾性siRNA與特異性mRNA不完全互補[21]。從治療觀點看,脫靶效應(yīng)可能會嚴(yán)重限制siRNA在未來作為治療劑的應(yīng)用。
解決脫靶效應(yīng)的潛在方法:(1)最大限度地減少脫靶效應(yīng),包括最新發(fā)現(xiàn)的siRNA領(lǐng)域轉(zhuǎn)移優(yōu)化策略。配體識別細胞特異性受體可用來遞送基于RNAi的藥物靶向癌細胞和避免脫靶效應(yīng),因為抗體具有高親和力和能選擇性與癌組織中的生物標(biāo)志物結(jié)合[22]。Burks等[23]和Zucker等[24]將重組Fab′片段連附到阿霉素脂質(zhì)體制劑上用來治療人表皮生長因子受體-2(HER-2)過表達的乳腺癌。(2)改變siRNA的濃度,Caffrey等[25]針對己糖激酶Ⅱ的siRNA治療,發(fā)現(xiàn)其有濃度依賴性的脫靶效應(yīng),脫靶及其相關(guān)表型效應(yīng)可減少siRNA的用量,而這些siRNA在低濃度(如1 nmol/L)時也能高效沉默靶基因。(3)siRNA設(shè)計,Xu等[26]觀察到一些脫靶相關(guān)基因在多種基因的3′UTR中存在。3′UTR的脫靶相關(guān)基因可以在siRNA的設(shè)計中加以考慮,以減少RNAi治療誘發(fā)的脫靶效應(yīng)。為了驗證全基因組熱力學(xué)分析能夠精確地識別潛在的脫靶基因和幫助減少siRNA引發(fā)的脫靶效應(yīng),Chen等[27]設(shè)計了針對3種人類基因IDH1、ITPR2和TRIM28的2種siRNA,并且其中1種基因通過全基因組熱力學(xué)分析工具(Picky)預(yù)測包含有脫靶基因且能引發(fā)脫靶效應(yīng),這項研究表明經(jīng)過Picky預(yù)測沒有脫靶基因的siRNA不可能導(dǎo)致脫靶效應(yīng)。因此,在siRNA的設(shè)計中Picky是必不可少的篩選步驟。
4.2克服RNAi引起的免疫反應(yīng)siRNAs還是哺乳動物固有免疫系統(tǒng)的有力激活劑,尤其在治療疾病時重復(fù)給藥。全身給藥后,siRNA雙鏈能誘導(dǎo)產(chǎn)生高水平的炎性細胞因子和Ⅰ型干擾素。影響siRNA免疫識別的因素包括:敏感細胞類型、運載工具、siRNA序列和結(jié)構(gòu),并且激活固有免疫反應(yīng)可引起假陽性療效和急性毒性[28]。免疫系統(tǒng)由許多子白細胞構(gòu)成,每個子細胞在體內(nèi)均有其自身的特點和獨特的位置,這為RNAi提供了一個多樣的靶點,每一個靶點將是一個新的挑戰(zhàn)和潛在的治療策略。
為了最大限度地減少由siRNA誘發(fā)的免疫反應(yīng),可用免疫刺激的siRNA來避免誘發(fā)的相關(guān)免疫反應(yīng),因此通過選擇缺乏免疫刺激基序的序列,能夠設(shè)計出無免疫刺激活性的siRNA。然而,缺乏對免疫刺激RNA序列基序性質(zhì)的了解,極大限制了設(shè)計出針對一個特定靶點的新siRNA序列。通過化學(xué)修飾來穩(wěn)定siRNA雙鏈?zhǔn)且粋€經(jīng)典方法,可以極大減少由siRNA引起的免疫反應(yīng)。Valenzuela等[29]發(fā)現(xiàn)用核糖修飾的方式(如2′-OMe或者 2′-F)引起免疫刺激的siRNA序列,能夠減少細胞因子的產(chǎn)生,并且這種作用在5′端修飾比3′端更加明顯。Wu等[30]的結(jié)果顯示,通過靶向包含1B的GRAM域(GRAMD1B,參與化學(xué)抗性的一種蛋白質(zhì)),用2′-OMe-phosphorodithioate修飾的siRNA治療化療耐藥卵巢癌小鼠,與紫杉醇聯(lián)用可以產(chǎn)生協(xié)同抗腫瘤效應(yīng)。減少siRNA誘發(fā)的固有免疫反應(yīng)的另一種方式是通過封裝方法來穩(wěn)定siRNA分子。研究表明,脂質(zhì)體、聚合物、微乳液和納米凝膠、PEI(具有高陽離子電荷密度,帶有多個氨基的有機分子)、CDs(a-1,4連接的吡喃葡糖基天然環(huán)狀低聚物)和藻酸鹽可用于包被siRNA[31]。這些方法的應(yīng)用將極大減少siRNA誘發(fā)的免疫反應(yīng)。
5小結(jié)和展望
RNAi是一種轉(zhuǎn)錄后基因沉默機制,通過RNAi技術(shù)可以特異性剔除或關(guān)閉特定基因的表達,進而為惡性腫瘤的治療提供一種新的思路。其優(yōu)勢在于簡便、高效、特異。但是將基于RNAi的基礎(chǔ)研究向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化,還存在一些問題有待解決,需要進一步研究。
由于RNAi技術(shù)可以利用siRNA或siRNA表達載體經(jīng)濟、快速、簡便的以序列特異方式沉默目的基因,所以已成為探索基因功能的重要研究手段。同時大量與腫瘤發(fā)生、發(fā)展相關(guān)基因的發(fā)現(xiàn),為RNAi技術(shù)應(yīng)用于腫瘤治療奠定了基礎(chǔ)。盡管在臨床應(yīng)用中,RNAi治療存在脫靶效應(yīng)、免疫反應(yīng)等問題,但這些問題最終會得以解決。總之,可以預(yù)測基于RNAi的腫瘤治療在不久的將來有望成為一種腫瘤臨床治療新方法。
作者貢獻:袁慎俊進行資料收集整理、撰寫論文、成文并對文章負責(zé);胡衛(wèi)進行資料收集及評估;陳濤進行質(zhì)量控制及審校。
本文無利益沖突。
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(本文編輯:李婷婷)
Progress of RNAi Technology for Cancer Therapy
YUANShen-jun,HUWei,CHENTao.TheMedicalCollegeofThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China
【Abstract】Malignant tumors are a major threat to human health,and at present the primary types of treatment such as surgery,radiation and chemotherapy do not have a good effect.This text introduced the mechanism of RNA interference (RNAi) and the application of RNAi technology in cancer therapy,described drug delivery methods of RNAi in the therapy,RNAi-induced off-target effects and immune response.Although problems still exist in the treatment by RNAi,RNAi-based cancer therapy may be a new method for the clinical treatment of cancer by further research.
【Key words】RNA interference;Antineoplastic protocols;Off-target effects;Immune response
(收稿日期:2015-11-29;修回日期:2016-01-26)
【中圖分類號】R 730.5 R 394.114
【文獻標(biāo)識碼】A
doi:10.3969/j.issn.1007-9572.2016.12.002
通信作者:陳濤,443002湖北省宜昌市,三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院;
基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(81173612)
E-mail:chentao@ctgu.edu.cn