肌萎缩

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TUhjnbcbe - 2022/7/1 14:07:00
?法国女科学家朱迪思·梅尔基及其研究团队发现了与SMA相关的基因:SMN1和SMN2,为SMA的治疗找到了新的切入点。?研究反义寡核苷酸药物的Ionis制药注意到冷泉港实验室的克雷纳团队在SMA领域里发表的一些早期研究结果,决定与之合作,把基础研究的成果转化为治疗SMA的药物。?Ionis制药/冷泉港实验室项目团队的华益民博士,花了一年多时间成功培育出适合做药物筛选的小鼠模型。由此选出了反义寡核苷酸分子ASO-10-27作为候选药物。

?临床研究阶段,渤健(Biogen)加入了诺西那生钠的研究合作。由于数据优秀,III期临床提前结束,年,诺西那生钠注射液获批上市,正式开启SMA的疾病修正治疗时代。

年,浙江省温州市文成县的包家迎来了一个可爱的女婴,包宗锋夫妇给他们的宝贝女儿起名“包珍妮”。小珍妮长到8~9个月大的时候,父母都注意到女儿的小手伸出来拿东西的时候总是会不住地颤抖,开始怀疑女儿在肢体控制方面的发育有点小问题。过了周岁,小珍妮的病情更加严重了,她站立不稳,根本无法走路。于是,包宗医院。诊断的结果让他俩如雷轰顶:包珍妮患有脊髓性肌萎缩症(SpinalMuscularAtrophy,缩写“SMA”)。医生还无奈地告诉他们,SMA是一种罕见病,无药可治,大多数患儿的寿命不超过2岁,即使护理得当,最多活到4~5岁。包宗锋夫妇以前没有听说过这种怪病,不愿相信这是真的。在随后的几年里,又带着女儿跑遍了上海、医院,但结果都是一样的。他们只能接受了这个令人心碎的事实,但是没有认命也没有放弃,而是更加精心地呵护着女儿越来越脆弱的生命。两岁那年,小珍妮的肺部严重感染,进了重症监护室,随后下肢完全失去了运动能力。在父母的陪伴下,珍妮坐在轮椅上完成了小学学业。年开始,坐轮椅也不行了,珍妮只能辍学躺在家里。年又一次肺炎让她丧失了基本的肺功能,开始依靠呼吸机维持生命。一个月后又能重新开口说话的珍妮告诉爸爸:“我就是想活下去,就想看到新一天的太阳。”

运动神经元存活基因变异

就在珍妮姑娘被确诊SMA的同一年,在地球另一边的美国,一个出生比她早一年的小女孩艾莉亚·辛格(AryaSingh)也遭遇了同样的不幸,被确诊为SMA,渐渐失去了行动的能力。有幸的是,艾莉亚的父母都是非常成功的投资银行家。为了寻找治疗SMA的方法,帮助自己的女儿艾莉亚和其他所有SMA患者,夫妇俩在年捐出巨款,共同创建了SMA基金会。今天,SMA基金会是全球SMA研究的主要赞助者,迄今为止已经投入了大约1.5亿美元用于基础、转化和临床研究,同时确保最新的研究成果可以以最低的成本和要求共享给每个研究SMA的科学家。SMA也终于从一个以前只有患儿的父母才知道的罕见病,进入了大众的视野。

SMA是一种遗传性的神经肌肉病,由于脊髓前角及延髓运动神经元变性,导致肌无力和肌萎缩。这是一种常染色体隐性遗传病,也就是说父母双方都必须携带致病基因,而且他们的子女只有在两条染色体都存在致病变异时才会发病。根据排列组合原理,他们的后代中有25%不携带SMA致病基因,有50%是SMA基因携带者,但自身不会发病,只有余下的25%才会发病。

SMA患儿SMA在全球活产新生儿中的发病率是10万分之6,包括不同种族和性别,[1]由此可推算出成年人中携带致病基因的比例不低于1/65。SMA被纳入中国《第一批罕见病目录》,据估计中国每年新发患者数大约为人,患者总人数在人左右。早在多年前的年代,一位名叫吉多·韦德尼格(GuidoWerdnig)的奥地利科学家和约翰·霍夫曼(JohannHoffman)的德国科学家就首先注意到有几例患病的婴儿在出生后的头几个月内出现了肌肉无力,他们还了解到这种情况似乎在家庭的其他成员中也出现过。GuidoWerdnig(左)和JohannHoffman(右)于是,科学家们对这种神秘而又可怕的疾病做了进一步的调查,病理解剖发现这些患病婴儿的运动神经细胞发生了退变,特别是在被称为前角(anteriorhorn)的脊髓部分,主要与骨骼肌群(skeletalmuscles)相关。他们的研究工作使得脊髓性肌萎缩症得以确认和诊断,所以1型SMA通常也被称为Werdnig-Hoffman病。目前,基于症状开始的年龄和患者身体所能达到的运动状态,我们把SMA分为4种类型[2]:1型(Werdnig-Hoffman病)是最常见(60%)的形式,通常在婴儿出生后的6个月内发病,若无呼吸支持,患者通常于2岁前死亡;

2型通常在6个月至18月龄之间发病,多数患儿可以坐起,但不能独立行走;

3型(Kugelberg-Welander病)通常在18个月之后发病,有些甚至可能推迟到青春期,患儿能独立行走;

4型非常罕见(1%),患者在成年后发病,进展缓慢。

在每种类型中,患者的运动能力也会因人而异。如果不进行治疗,他们的肌肉将持续变弱,随着时间的推移甚至完全失去运动能力,导致死亡。婴幼儿期发病的1型SMA患儿很大概率无法活到2岁,被称为2岁以下婴幼儿的“头号遗传病杀手”。包珍妮是2型,艾莉亚是3型,所以她们能非常幸运地在父母的精心呵护下长大成人。虽然专家们从一开始就注意到了这种罕见病的家庭遗传特征,但是我们在基因层面发现SMA的遗传缺陷已经是多年之后了。

年,法国女科学家朱迪思·梅尔基(JudithMelki)和她的研究团队找到了与SMA相关的基因——运动神经元存活基因1(SurvivalofMotorNeuron1,缩写“SMN1”),并确定了该基因的DNA碱基序列。[3]他们的研究结果显示:SMA患者5号染色体上的SMN1基因都出现了问题,其中超过90%是纯合缺失(homozygousdeletion)。也就是说,有关这个基因的两个拷贝都出现了功能缺失性变异(只要有一个拷贝正常就不会发病,但仍旧是致病基因的携带者)。因此,最常见的SMA类型也被称为5qSMA,此类型占SMA患者人群的95%。

既然是纯合缺失,那为什么不同患者的发病时间和进程会出现这么大的差别呢?答案来自另一个运动神经元存活基因2——SMN2,一个与SMN1几乎完全相同的“备用基因”,也是梅尔基团队发现的。在正常人的5号染色体长臂的13.2区域存在着一对高度同源的基因:在端粒(telomere)端的SMN1和在着丝点(centromere)端的SMN2。我们生存所必须的SMN蛋白质有85%~90%来自SMN1基因的表达,只有10%~15%来自SMN2基因。所有SMA患者都缺乏功能正常的SMN1基因,只能依赖于SMN2基因来表达SMN蛋白,低水平的SMN蛋白允许胚胎发育,但不足以维持脊髓运动神经元的存活,早晚会出现SMA。随后的基因型与表型的相关分析发现,SMN2基因的拷贝数与该病症的表型之间是负相关的,拷贝数高的表型比较温和,发病也会晚一些。运动神经元存活基因SMN1和SMN2的发现,为脊髓性肌萎缩症通过基因检测手段获得遗传学诊断提供了可靠的依据。基因检测可用于受孕前的基因筛查,可用于受孕后的产前诊断,也可用于新生儿筛查。在此之前,脊髓性肌萎缩症的诊断只能根据患者的典型体征和肌电图。SMN1和SMN2基因的发现,也为脊髓性肌萎缩症的治疗找到了新的切入点。

中国球迷和乌拉圭球迷的冷泉港之缘

年,也就是霍夫曼和韦德尼格发现脊髓性肌萎缩症的同一年,位于美国纽约长岛的冷泉港成立了一家非盈利性的生物医药学实验室——冷泉港实验室(ColdSpringHarborLaboratory,缩写CSHL)。从此,一代又一代杰出的科学家在冷泉港实验室致力于基础生命科学的研究,取得了多项举世瞩目的科学成就,在学术界树立起了很高的威望,成为全球性的生命科学研究中心。年,这所百年实验室迎来了彼时刚从哈佛大学获得博士学位的阿德里安·克雷纳(AdrianKrainer),而当时,他对SMA还几乎一无所知。年,克雷纳博士作为RNA调控和剪接专家应邀参加了一个在NIH举行的神经性疾病研讨会。[4]“NIH的研讨会对我来说是一个重要的转折。这些同行们观察到的(SMN基因的)剪接问题与我一直在研究的课题非常类似。”克雷纳博士后来回忆说。他当时的直觉认定,治疗这个遗传病的关键也许就是基因剪接的调控和修复,而他的团队应该可以有所作为。于是他立刻付诸行动,开始招兵买马。真正的进展则在3年后。那个夏天正值世界杯期间,NIH的神经性疾病研讨会又一次如期召开。当时正在麻州大学医学院做研究的中国学者、爱好足球的华益民博士和克雷纳研究员相遇了。克雷纳出生在乌拉圭,也是一个足球迷。共同的兴趣把这两位博士球迷拉到了一起,在研讨会期间饶有兴致地谈论着世界杯,谈论乌拉圭晋级的前景,谈论中国队进球的可能性,谈论德国的“战车”和巴西的“桑巴舞”……对了,足球之余,他们也谈论了不少神经性疾病。自从SMN1和SMN2基因被发现之后,不少实验室就开始研究这两个重要基因的剪接和调控。华博士当时所在麻州大学医学院的实验室就是这个领域里的先驱,取得了不少重要的进展。克雷纳实验室进入这个领域相对较晚,非常需要华博士在SMA方面的工作经验和实验技能,于是他当即伸出了橄榄枝,邀请华博士加入他的实验室,到冷泉港工作。一年之后,华博士从麻州搬到了冷泉港,开始了与克雷纳博士长达十多年的合作。而早期赞助这项研究、包括支付华博士本人工资的机构之一,正是艾莉亚父母共同创建的SMA基金会。

反义寡核苷酸崭露头角

当时最新的研究结果显示,SMN2之所以不能像SMN1那样高效率表达正常的蛋白,是因为这个“备用基因”的号位上的碱基与SMN1基因的碱基不一样,也就是我们通常说“发生了变异”。这个单一碱基的变异导致了SMN2基因被剪接时会“跳过”一段被称为“外显子7(exon7)”的基因片段,少了一些密码子,它所表达的SMN蛋白也就短了一截。这些短了一截的SMN蛋白质不具有生物功能,会被快速降解,只剩下10%~15%具有正常功能的SMN蛋白。5qSMA疾病患者的发病时间和严重程度与SMN2基因的拷贝数呈负相关,一般拷贝数越高,SMA表型严重程度就越低。真是无巧不成书,当时克雷纳博士的团队研究这个基因剪接回路的机理已经有好几年了,非常熟悉许多相关的细胞因子。华益民博士加入他的团队之后,与其他成员一起研究如何修复SMN2的基因剪接,并成功建立了一个名为“ASO步移法”的实验方法,在体外的细胞实验中进行了大量的筛选,成功获得了能在低剂量下修复SMN2基因剪接的分子。这个方法的核心是一项被称为“反义寡核苷酸(antisenseoligoneucleotide,缩写ASO)”的RNA生物技术。[5]随着生命科学的发展,RNA在生命过程中的重要作用被越来越多地揭示出来,与RNA相关的生物技术也被越来越多应用到医药学许多领域,发挥着重要的作用。几十年前就有科学家发现,将一段外源的mRNA注入小鼠的细胞内之后,经过培养,在这些细胞中检测到了由这段mRNA编码的外源的蛋白质。这是基因疗法生产所需蛋白质的早期概念证明,在医药领域有巨大的实际应用潜力。最近取得突破的mRNA疫苗技术,就是将编码新冠病*刺突蛋白的mRNA经过化学修饰和“包装”之后获得成功的。它们进入人体之后,核心成分mRNA能被宿主细胞转录而表达出新冠病*的刺突蛋白,从而激发免疫反应,产生相应的抗体。这段mRNA只携带刺突蛋白的编码,并不能表达出完整的病*,因此接种后没有被感染的可能性。除了在一定条件下能表达各种蛋白质之外,有些特殊的RNA也能抑制蛋白质的表达。年,两位美国科学家就发现了一种能够抑制蛋白质合成的RNA片段。这种特殊的RNA片段不携带密码子,它的碱基序列与某些携带密码子的mRNA片段的序列互补(G对C,A对U),因此这些单链的RNA片段可以与某些特定序列的mRNA杂交形成二聚体,从而使被杂交的mRNA不能继续参与蛋白质合成的信息转录,起到了调节基因表达的作用。因为这些RNA片段的碱基序列与密码子相反,我们把这些特殊的RNA称为“反义RNA(antisenseRNA,缩写asRNA)”或者“反义寡核苷酸(antisenseoligoneucleotide,缩写ASO)”。[6]反义寡核苷酸技术的出现引起了医药界的广泛注意,因为这样一来,mRNA就有可能成为一大类潜在的药物靶点。鉴于它们能够在基因表达的水平上针对与疾病相关的蛋白质进行调控,有可能在包括癌症、神经退行性疾病、呼吸系统疾病以及罕见遗传病等治疗领域里发生作用。于是从年代开始,制药公司就开始投入资源,致力开发反义寡核苷酸药物。开发反义寡核苷酸药物有一个很大的难题:药物递送。通常反义寡核苷酸是由12~25个核苷酸单元组成的单链RNA。如果不进行化学修饰,它们是不能渗透过细胞膜的,并且对各种核酸酶(包括内切酶和外切酶)的降解也非常敏感,即使注入体内,之后的半衰期只有几分钟,没有足够的时间与靶点结合而起效。年成立的Ionis制药公司(原名IsisPharmaceuticals)就是一家专注研发反义寡核苷酸药物的生物技术公司。它从一家丹麦公司引进了RNA化学修饰的平台化技术,可以系统性地高效合成新颖的RNA分子片段,同时还能更精准地控制产物的立体化学。经过几次迭代之后的寡核苷酸,在成药性上有了很大的改善。新一代的寡核苷酸不容易被核酸酶降解,体内半衰期显著延长,细胞*性降低,具有更好的细胞靶向能力,被业界普遍看好。与此同时,Ionis公司注意到了克雷纳团队在SMA领域里发表的一些早期研究结果,决定与之合作,把基础研究的成果转化为治疗SMA的药物。从年开始,他们系统性地设计反义寡核苷酸分子,在Ionis的独家平台上合成与纯化,然后到冷泉港进行筛选,希望能从中找到安全有效的SMA治疗药物。

小鼠模型的重要发现

如果说系统性的合成与筛选是现代药物研发必不可少的技术平台,那么疾病的动物模型就是现代药物研发绕不过去的一道坎。克雷纳团队选定的靶点是SMN2基因上的一个特异性位点(ISS-N1)。他们的研究发现,通过反义寡核苷酸分子与这个基因位点的靶向结合,可以促进SMN2基因在转录时保留外显子7,产生出全长的mRNA,从而提高功能性SMN蛋白的生成,具有非常精准的特性。就在克雷纳博士的团队努力设法修复SMN2基因表达的同时,SMA的小鼠动物模型建成了。这是一个非常关键的突破性进展。这个动物模型的建立为各种实验性疗法提供了临床前筛选的平台,也为SMA发病机制和疾病调控提供了很好的研究对象。在目前已知的所有物种里,只有人和巴诺布黑猩猩(BonoboChimpanzee)有SMN2基因,其它物种(包括普通的黑猩猩)都没有。从进化的角度看,SMN2基因出现对物种生存显然是有好处的。没有SMN2基因的物种,只要SMN1出现功能丧失性突变,一定是致命的。小鼠没有SMN2基因,所以敲除小鼠的SMN1基因也是致命的,这就给建立小鼠的SMA疾病模型增加了不少技术难度。实验人员在敲除SMN1基因的同时,还必须人工植入(knockin)SMN2基因,小鼠才有可能存活。这样做的好处是,植入的SMN2基因的拷贝数是可控、可增减的。实验结果显示:植入不同拷贝数的SMN2基因,培育出来的转基因小鼠是很不一样的。如果植入2个拷贝,小鼠能短暂地存活5天,而且会出现SMA的典型症状;如果植入8个拷贝,培育出来的转基因小鼠就可以长时间存活,而且表型也基本正常。这些重要的实验结果给了项目团队(Ionis制药/冷泉港实验室)极大的信心:如果能通过反义寡核苷酸药物提高SMN2基因的正常表达,在小鼠的疾病模型上应该也能获得成功。于是,华益民博士埋头苦干,从年开始花了一年多时间,改进了当时已经发表的台湾温和型小鼠模型,在实验室里成功培育出了存活率较高的适合做药物筛选的转基因小鼠(统称“台湾严重型模型”)。

华博士开始在这些小鼠上做试验,把精心设计的反义寡核苷酸分子注射到小鼠的脑脊液里,然后观察它们的变化。结果显示,反义寡核苷酸的干预可以在活体的细胞中纠正SMN2基因的剪接错误,把SMN2的正常表达提高到接近SMN1的水平,但是这些小鼠的寿命却只能延长大约1周,治疗效果并不十分理想。

很有些沮丧的华博士在一次实验后偶然发现,其中的两只小鼠竟然奇迹般地活了好几个月,整个团队都为之兴奋不已!原来,在给这两只小鼠进行脑室注射时,反义寡核苷酸分子并没完全进入脑室,有一小部分漏了出来,通过皮下进入了血液循环,这才出现了意想不到的结果。有了这个发现之后,他们意识到这些转基因小鼠外周组织存在严重缺陷,这一点可能与人类SMA患者有差异。结果通过皮下注射的方式给药,转基因小鼠的寿命果然延长至原先的20倍以上。[7]很快,项目组选定了一个代号为ASO-10-27的反义寡核苷酸分子作为候选药物,由Ionis制药接手启动了试验药物授权研究(INDEnablingStudies),包括严格条件下的各种药效学、药代动力学、药理和*理学以及动物安评试验等多项研究,为该化合物的申报和进入临床试验铺平道路。

诺西那生钠终成正果

年底,这一天终于来了。Ionis制药在完成了ASO-10-27的临床前研究之后,自筹资金开启了SMA实验药物的Ⅰ期临床试验,药物的代号为“ISIS-SMNRx”(后改名为“Nusinersen”)。年,Ionis制药开始与神经性疾病药物开发方面经验丰富的渤健生物制药公司(Biogen,Inc.)合作,加速推动该项目的Ⅱ期临床试验。考虑到SMA及其患者的特殊性,最先开始的是一项开放标签(openlabel)的Ⅰ期临床试验,对28名2~14岁的SMA患者进行了不同剂量的单次鞘内注射(intrathecalinjection)[8]。试验结果显示,受试患者对实验药物ISIS-SMNRx的4种递增单剂量(1、3、6和9毫克)都呈现出良好的耐受性,尤其是接受9mg剂量的受试患者还出现了一些可观察到的临床疗效,非常令人鼓舞。随后,开放标签、剂量递增的Ⅱ期临床研究也进展顺利。紧接着,在名为ENDEAR的Ⅲ期随机、双盲、假操作对照的研究中,例5qSMA婴儿期发病型患儿参与了研究,其中诺西那生组80名。该研究结果提示,诺西那生治疗可以显著提高1型SMA患者的无事件生存率及总生存率,长期治疗显著改善患者运动功能,帮助部分1型患者达到运动里程碑。另外还有几项关键性的临床研究(CHERISH、NURTURE等)结果也都先后证实了ISIS-SMNRx实验药物能显著增加SMA1型患者的生存时间,可以帮助改善各型SMA患者运动、呼吸功能,显著改善1型患者的呼吸、吞咽功能。尤其令人可喜的是,早期基因诊断后的症状前治疗能改变SMA的自然进程,有可能使那些即将发展成为1型或2型SMA的患儿几乎达到与正常儿童相似的运动发育水平。由此可见,早期的基因筛查对于SMA的有效治疗有着非常重要的意义,应该成为医药界的努力方向。年,几项关键的Ⅲ期临床试验尚未结束,但是其中一项有关婴儿患者的治疗试验被监管部门突然叫停了:原来,并不是出了问题,而是中期分析结果已经足以令人信服,不能让对照组的受试婴儿继续使用安慰剂,因为留给那些患儿的时间已经不多了,必须立刻改成药物治疗。年,FDA批准了实验药物的上市,诺西那生钠(NusinersenSodium,商品名Spinraza)注射液诞生了,用于5qSMA的治疗。[9]年,诺西那生钠注射液经快速审评审批通道,获得中国药品监督管理局的上市批准。

沐浴在新一天的阳光里

故事又回到了我们开篇的SMA2型患者、20岁的温州女孩包珍妮。对她来说,每一天太阳的升起都是特别值得期待的。

满怀着希望,她迎来了年的第一个日出。这一天,中国新版国家医保药品目录落地执行,诺西那生钠注射液赫然在列,而珍妮也在温州医院接受了诺西那生钠的第一次注射。两个多月后的今天,曾经仅一根手指能活动的她,现在整个手掌都能动了。

医生在为包珍妮注射。大洋彼岸的艾莉亚从一开始就参加了诺西那生钠的临床试验,虽然仍旧要坐轮椅,但她现在已经是耶鲁大学的学生。她感恩父母早年的爱心投资,创立了SMA基金会,为天下的SMA患者寻找治疗方法,包括大力赞助冷泉港的研究项目,并最终获得了成功。目前关于诺西那生钠的真实世界研究数据不断增多,比较一致地反映了关键临床研究的治疗获益,同时也在回答各种临床实际治疗中遇到的问题。截至年底,全球临床使用经验已经超过7年的时间,共计超过了10名各种分型及年龄的SMA患者接受了治疗。因为有了诺西那生钠,越来越多的SMA患者跟包珍妮和艾莉亚一样,正沐浴在新一天的阳光里。年3月于新泽西

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