Le nuove frontiere delle terapie con acidi nucleici

Dopo decenni di false partenze e battute d'arresto 1 , le terapie a base di acido nucleico stanno diventando ormai abituali nella clinica 2 . L'approvazione dei vaccini mRNA per Sars-CoV-2 è forse l'esempio più ampiamente riconosciuto, ma anche altri farmaci, in particolare quelli basati su oligonuclueotidi antisenso (ASO) e RNA interferenti corti (siRNA), hanno ottenuto una serie di approvazioni 3 .

Le terapie con acidi nucleici utilizzano sequenze ingegnerizzate di nucleotidi per modulare selettivamente l'espressione genica, consentendo ai medici di controllare i sintomi di una malattia genetica senza alcuna modifica permanente del DNA. La maggior parte delle indicazioni attualmente approvate riguarda le malattie rare, ma in questi casi l'impatto delle terapie può essere profondo. Ad esempio, nusinersen di Biogen, una terapia ASO per l'atrofia muscolare spinale (SMA), una condizione neuromuscolare fatale, può ridurre della metà la probabilità di morte o la necessità di ventilazione meccanica nei neonati trattati 4 .

"Questo è il culmine di un lungo periodo di progressi in chimica", spiega Matthew Wood, ricercatore dell'Università di Oxford specializzato in terapie con acidi nucleici per i disturbi neurologici. Sintetizzare e fornire oligonucleotidi come un medicinale dosato con precisione è stato possibile solo dopo decenni di ricerche fondamentali. Con molti di questi ostacoli superati, insieme a una manciata di approvazioni normative concesse, le terapie a base di ASO e siRNA hanno ricevuto un colpo al braccio. Dozzine di candidati sono attualmente in sperimentazione clinica, con altri in test preclinici. I ricercatori stanno inoltre definendo una metodologia chiara per la produzione di nuovi farmaci a base di acido nucleico, aprendo la strada al rapido sviluppo di terapie per praticamente qualsiasi malattia con una causa genetica sottostante.

Il potere del silenziamento genico

Uno dei processi fondamentali in biologia molecolare è la trascrizione del DNA nucleare in mRNA, che viene poi tradotto in proteine. Sia gli ASO che i siRNA interrompono questo processo, silenziando efficacemente i geni senza apportare modifiche genetiche. Mentre le tecnologie offrono un risultato simile, i meccanismi che impiegano sono molto diversi.

La tecnologia ASO, che risale alla fine degli anni '70 5 , utilizza filamenti sintetici di 15 o 20 nucleotidi per creare una molecola di DNA o RNA 6 che si integra e si lega direttamente a un filamento sensibile di DNA o mRNA. Quando un ASO si lega al suo bersaglio, blocca o modifica fisicamente la traduzione della proteina. Una manciata di farmaci ASO sono stati approvati sulla base di questa strategia, come l'inotersen di Ionis, che previene l'accumulo di grumi di proteine ​​tossiche nel fegato in una condizione nota come amiloidosi ereditaria mediata dalla transtiretina (haTTR). i siRNA sono molecole di RNA a doppio filamento progettate per completare una sequenza di mRNA bersaglio. Piuttosto che legarsi direttamente a un mRNA, gli siRNA sono integrati nell'assemblaggio proteico noto come complesso di silenziamento indotto dall'RNA (RISC). Questo complesso utilizza la sua componente RNA per riconoscere l'mRNA bersaglio, che viene successivamente distrutto da un enzima associato a RISC.

Scoperta negli anni '90, l'interferenza dell'RNA, o RNAi, ha suscitato grande interesse da parte degli sviluppatori di farmaci per il suo potenziale di sopprimere selettivamente l'espressione genica. Ha anche guadagnato ai ricercatori dietro la scoperta, Andrew Fire e Craig Mello, un premio Nobel nel 2006. Eppure gli sviluppatori di farmaci hanno lottato per portare le terapie a base di siRNA nella clinica. Solo nel 2018 Alnylam ha ottenuto l'approvazione per il primo farmaco siRNA, il patisiran terapeutico per l'amiloidosi hATTR.

Da allora, l'interesse per le terapie con siRNA ha superato gli ASO. "Se si guarda all'efficacia, alla durata dell'effetto e al profilo di sicurezza, non c'è dubbio che gli siRNA siano di gran lunga superiori agli antisenso", afferma Anastasia Khvorova, specialista in terapie a RNA presso la University of Massachusetts Medical School.

Anche così, gli ASO possono svolgere alcuni compiti fuori dalla portata dei siRNA. Molte malattie derivano da errori di splicing, in cui i geni mutati danno origine a trascritti di RNA primari che saltano le istruzioni chiave della proteina o includono elementi di sequenza indesiderati. Un ASO ben progettato può superare questo problema. "Li stai usando per mascherare le regioni critiche su un mRNA che viene elaborato per consentire al macchinario di giunzione di saltare o includere un esone", afferma Wood. Nusinersen è un esempio potente. In quella terapia, gli ASO costringono i motoneuroni a produrre una versione funzionale di una proteina che è assente nei pazienti con SMA.

Medicinali affidabili, lotto dopo lotto

Lo sviluppo di farmaci di successo richiede la somministrazione di terapie coerenti e dosate con precisione, il che ha rappresentato un'altra sfida per le terapie con acido nucleico. Nel corpo, gli RNA presenti in natura vengono rapidamente degradati da vari enzimi. Per essere efficace, qualsiasi terapia a base di RNA deve resistere alla rapida degradazione.

Grazie in gran parte ai progressi nella chimica dei nucleotidi, i ricercatori hanno sviluppato un arsenale di nucleotidi manipolati chimicamente che aiutano l'RNA sintetico a resistere alla distruzione prematura. "Lo zucchero ribosio del nucleotide viene modificato con diverse molecole che gli conferiscono maggiore stabilità contro le RNasi e altri enzimi per aumentare l'emivita dell'RNA", spiega Syed Raza, responsabile della produzione chimica presso Thermo Fisher Scientific. L'azienda produce una gamma di tali nucleotidi di RNA modificati , compresi i fosforamiditi di RNA che sono spesso un materiale di partenza per le terapie a base di ASO e siRNA.

Oltre a stabilizzare i costrutti di RNA in vivo, i ricercatori devono consegnarli ai tessuti appropriati. Un metodo comune consiste nel confezionarli all'interno di nanoparticelle lipidiche, o LNP, che possono colpire i tessuti epatici o essere consegnati ai tessuti localmente; patisiran utilizza questo approccio. Tuttavia, i LNP possono essere complessi da produrre e possono suscitare una risposta immunitaria, tra le altre sfide 7 .

Una svolta nella consegna è arrivata quando gli scienziati di Alnylam ei loro collaboratori hanno identificato una "chiave dello scheletro" per un'efficace somministrazione di farmaci al fegato: un carboidrato chiamato GalNAc. La molecola si lega a un recettore espresso quasi esclusivamente nelle cellule epatiche. I siRNA accoppiati a GalNAc raggiungono efficacemente quel tessuto dopo l'iniezione sottocutanea o endovenosa. "Ora disponi di una tecnologia che potrebbe essere applicabile a innumerevoli indicazioni epatiche, semplicemente risolvendo quell'unica sfida", afferma Wood. Tre farmaci GalNAc-siRNA sono già entrati nella clinica.

Man mano che le terapie con acido nucleico hanno acquisito slancio, la comunità di ricerca è convergente su un solido processo per lo sviluppo di farmaci siRNA e ASO. "Siamo un laboratorio accademico, ma entro due mesi posso creare un composto siRNA di qualità clinica", afferma Khvorova. Il suo team in genere inizia con un software per progettare alcune centinaia di siRNA candidati. I candidati sono ottimizzati per corrispondere al gene di interesse e il team di Khvorova incorpora varie modifiche essenziali per il funzionamento di RNAi. I candidati vengono quindi testati in vitro per identificare una manciata di finalisti, che vengono quindi sottoposti a screening negli animali e, a seconda dei risultati, nell'uomo.

Poiché la produzione per applicazioni cliniche richiede un rigoroso controllo di qualità nei materiali di partenza, la maggior parte dei ricercatori accademici acquista i propri farmaci candidati da fornitori specializzati nella produzione di oligonucleotidi chimicamente modificati di elevata purezza. Solo poche aziende forniscono fosforamiditi di qualità adeguata per la sintesi di questi oligonucleotidi di grado clinico. "Attualmente, ci sono solo tre aziende in tutto il mondo che sono produttori su larga scala di fosforamiditi", afferma Raza.

Nel tentativo di rafforzare lo sviluppo di farmaci in questo spazio, i ricercatori di Thermo Fisher Scientific e dell'European Pharma Oligonucleotide Consortium hanno pubblicato a febbraio un articolo di consenso sulle migliori pratiche per valutare e riportare la qualità dei materiali di partenza degli oligonucleotidi. "Abbiamo una buona conoscenza di quali siano le impurità critiche e le abbiamo eliminate principalmente dai nostri processi", afferma Raza. Per gli accademici e quelli dell'industria, gli standard dovrebbero aiutare a garantire che eventuali farmaci a base di acido nucleico forniscano sicurezza ed efficacia ottimali, con prestazioni coerenti tra i lotti di produzione.

Nuove sfide, nuove opportunità

Sebbene le terapie con acido nucleico stiano guadagnando costantemente slancio, permangono blocchi stradali. La consegna mirata di farmaci a RNA a tessuti diversi dal fegato rimane una sfida. Khvorova osserva che i farmaci siRNA somministrati direttamente nel liquido cerebrospinale potrebbero avere un potente effetto su malattie come la malattia di Huntington o la sclerosi laterale amiotrofica. "Con architetture avanzate di siRNA specifiche per il sistema nervoso centrale, una singola iniezione nelle scimmie può darti una durata dell'effetto da sei a 12 mesi", afferma. I ricercatori stanno anche cercando altre modifiche simili a GalNAc che potrebbero fungere da etichette di indirizzi efficaci per altri tessuti del corpo.

Il prezzo è un altro ostacolo. Molti farmaci RNA attuali hanno un prezzo medio-alto a sei cifre. Mentre i costi di ricerca e sviluppo recuperati rappresentano una parte del costo, Wood osserva che anche la produzione di massa è in parte responsabile. Egli cita la dipendenza da un costoso processo di produzione in cui le molecole di RNA sono assemblate chimicamente gradualmente su un supporto solido. "Puoi sviluppare una sintesi in fase di soluzione, in cui fondamentalmente metti tutti gli ingredienti in un secchio e si autoassemblano?" lui chiede. "Le persone hanno lavorato su questo e penso che questo sia qualcosa che trasformerà il campo nel prossimo decennio".

Una produzione più rapida e a basso costo su scala industriale potrebbe aiutare le terapie con acido nucleico ad affrontare i disturbi genetici comuni a un costo accettabile per gli assicuratori e i sistemi sanitari. Potrebbe anche giovare ai pazienti con malattie ultra rare. I cosiddetti disturbi "N-of-1" colpiscono popolazioni di pazienti estremamente piccole, complicando l'economia del prezzo standard dei farmaci. C'è già la prova del concetto. Un farmaco chiamato ASO milasen è stato sviluppato nel 2019 per un singolo paziente con una condizione neurodegenerativa ultra-rara chiamata malattia di Batten 8 .

Khvorova vede un brillante futuro per tali terapie su misura. "Sono a conoscenza di almeno 20-25 programmi N-di-1 in fase di sviluppo in questo momento", afferma, osservando che un quadro di progettazione di farmaci standardizzato potrebbe ridurre il costo della ricerca e dello sviluppo a pochi milioni di dollari. "Se alla fine stiamo parlando di curare 500 indicazioni di malattie orfane a 3 milioni di dollari l'una, non è un numero così alto".

fonte: Nature

Riferimenti

1. Jiang, K. Biotech arriva ai suoi "antisensi" dopo l'approvazione del farmaco conquistata a fatica. Nat Med 19, 252 (2013). https://doi.org/10.1038/nm0313-252
2. Roberts, TC, Langer, R. & Wood, MJA Progressi nella somministrazione di farmaci oligonucleotidici. Nat Rev Drug Discov 19, 673–694 (2020). https://doi.org/10.1038/s41573-020-0075-7
3. Aartsma-Rus, A., Corey D. Approvata la decima terapia con oligonucleotidi. Acido nucleico Ther 30:2 (2020)
4. Finkel, R. et al. Nusinersen contro controllo fittizio nell'atrofia muscolare spinale a esordio infantile. N Engl J Med 377:1723-1732 (2017) https://doi.org/10.1056/NEJMoa1702752
5. Stephenson, ML., Zamecnik PC. Inibizione della traduzione dell'RNA virale del sarcoma di Rous da parte di uno specifico oligodesossiribonucleotide. PNAS 75 (1) 285-288 (1978) https://doi.org/10.1073/pnas.75.1.285
6. Quemener, A. et al. Il potente mondo degli oligonucleotidi antisenso. Fili RNA 11:5 (2020) https://doi.org/10.1002/wrna.1594
7. Roberts, TC, Langer, R. & Wood, MJA Progressi nella somministrazione di farmaci oligonucleotidici. Nat Rev Drug Disco v 19, 673–694 (2020). https://doi.org/10.1038/s41573-020-0075-7
8. Kim, J. et al. Terapia oligonucleotidica personalizzata dal paziente per una malattia genetica rara. N Eng J Med 381: 1644-1652 (2019) https://doi.org/10.1056/NEJMoa1813279