基于 RNA 的疫苗是 COVID-19 疫情的英雄，创下了历史上最快的疫苗开发时间记录，从开发到获得 FDA 批准仅用了一年时间。最近，mRNA 技术获得了诺贝尔奖的认可，Katalin Kariko 和 Drew Weissman 因发现核苷碱基修饰而获得 2023 年诺贝尔生理学或医学奖，该修饰促成了针对 COVID-19 的有效 mRNA 疫苗的开发。
人们早已认识到 RNA 技术存在一个关键的局限性：RNA 通常以线性结构存在，这导致这种形式的 mRNA 的寿命相对较短。几个小时内，细胞内核酸酶就会降解这些分子。虽然 RNA 的瞬时性质对疫苗来说不是问题，因为它只需要很短的时间来编码引发免疫反应的蛋白质，但它对大多数需要长期 RNA 稳定性的治疗应用构成了挑战。环状 RNA (circRNA) 具有共价闭合环结构，通过保护自身免受核酸酶降解，从而增强稳定性并延长其寿命，具有显着优势。从理论上讲，即使在低剂量水平下，环状 RNA 也可以增强治疗效果。
环状RNA的发现和发展
环状RNA最早发现于1976年，但当时被认为是细胞内mRNA剪接错误的副产物。2013年，《自然》杂志同时发表了两篇关于环状RNA的研究论文，指出环状RNA是一种具有调控作用的非编码RNA，通过充当miRNA的海绵体来调控其他基因的表达。这使得沉寂了30多年的环状RNA引人注目，成为新一代明星分子，并被发现在细胞分化、组织稳态、疾病发展、免疫代谢等过程中发挥着重要的调控作用。
2018年7月，环状RNA发展史上的一个关键转折点，美国麻省理工学院（MIT）的Daniel Anderson等人在《自然通讯》杂志上发表论文，首次证明了人工改造的环状RNA可以在真核细胞中稳定高效地表达蛋白质。外源环状RNA在真核细胞中用于蛋白质表达的新应用，也证明了环状RNA是线性mRNA的有效替代品。
环状RNA创业热潮
基于这项研究，丹尼尔·安德森创立了 Orna Therapeutics，这是世界上第一家利用环状 RNA 开发新疗法的公司。该公司的核心技术在于其 RNA 环化技术的开发，他们实现了超长环状 RNA 构建体，以环化编码肌营养不良蛋白的 12,000 个核苷酸长的 mRNA，而肌营养不良蛋白是杜氏肌营养不良症 (DMD) 所缺乏的。
但 Orna 并不是唯一一家致力于环化技术的初创公司，还有其他公司采用不同的方法来构建环状 RNA。例如，Torque Bio 将制造环状 RNA 的说明放入病毒中，并在病毒细胞内进行拼接以制造环状 RNA。Chimera Therapeutics 使用基因工程细菌来生产环状 RNA。
此外，还有两家来自中国的初创公司 Cyclocode Biology 和 Cremate，它们在去年以预印本形式发表的单独论文中开发了新的 RNA 环化技术。
环状RNA的优势及进展
谈到环状RNA的优势，斯坦福大学的Howard Chang认为，只需一次注射就可以获得足够持久的蛋白质。
2022年7月，张元浩团队在《自然·生物技术》杂志发表论文显示，通过多重优化设计，成功翻译环状RNA的蛋白质产量提高了数百倍，可以实现体内有效、持久的蛋白质生产。
张锋与mRNA先驱、2023年诺贝尔生理学或医学奖获得者德鲁·魏斯曼（Drew Weissman）等人创立了一家名为Orbital Therapeutics的公司，该公司今年上半年完成了2.7亿美元的A轮融资。
环状 RNA 技术的支持者预计它将成为制药行业首选的 RNA 平台，有可能开启下一代疫苗、罕见疾病治疗方法和抗癌药物。
在开发环状RNA作为疗法时，我们需要去除环形成过程中的多余序列，以避免引起不必要的免疫反应。中国科学院分子与细胞科学卓越中心研究员陈玲玲表示，这实际上取决于环状RNA的具体构建方式。她的研究于2021年11月发表在《分子细胞》杂志上，表明在构建环状RNA时，自剪接基序留下的序列会扭曲RNA折叠，导致结构不规则的环状结构，从而引发免疫反应。
然而，在某些情况下，免疫反应是可取的。2022 年 3 月，北京大学魏文胜教授领导的团队在《细胞》杂志上发表了一篇论文。这项研究在小鼠和猴子身上证明，与线性 mRNA 疫苗相比，环状 RNA 疫苗诱导了更多的中和抗体和更有效的 T 细胞反应。此外，环状 RNA 在环境温度下比线性 mRNA 更稳定，这意味着基于环状 RNA 的疫苗可以在不需要冷链的情况下储存和运输。魏文胜教授创立了 Cyranos Bio，并已开始对环状 RNA COVID-19 疫苗进行人体试验，这是合成环状 RNA 药物首次在人体中进行测试。2023 年，其他一些基于环状 RNA 的药物可能会进入临床试验，包括 CureVac 的一种癌症疗法，该疗法使用环状 RNA 编码免疫刺激分子白细胞介素-12（IL-12）。
Orna 准备在 2024 年开始一项环状 RNA 疗法的临床试验。这种环状 RNA 疗法可以重新编程免疫细胞以攻击血癌。在今年 5 月的美国基因和细胞治疗学会 (ASGCT) 会议上，Orna 的科学家展示了临床前研究成果，表明向小鼠体内注射低剂量的 LNP 递送环状 RNA 可以原位重新编程 T 细胞并消除小鼠白血病模型中的肿瘤，而无需任何复杂的细胞工程或高强度的调理药物方案。
合成的环状 RNA 不仅可以编码治疗性蛋白质。当它们折叠成特定形状时，这些环状 RNA 还可以直接与抗体等靶标结合，作为一种称为适体的药物。它们可以捕获和分离不同类型的调节分子，有效地将它们从细胞环境中移除。它们还可以充当“反义因子”与基因转录本 (mRNA) 结合，阻止或改变其表达。此外，它们还可以作为 RNA 编辑应用的引导分子，将特定酶引导到需要纠正的突变基因转录本上。各种初创公司都在积极探索这些应用。
人工智能促进环状RNA研究
2023年5月，百度美国研究院黄亮和张亮（现为中国药科大学教授）与科兴生物合作，在国际顶级学术期刊《自然》上发表论文，利用人工智能工具优化mRNA疫苗序列，从而帮助制造出更有效、更稳定的mRNA。
这项研究不仅为 mRNA 疫苗提供了及时且有前景的工具，而且为 mRNA 疗法彻底改变医疗保健提供了巨大潜力。研究中开发的线性设计工具 LinearDesign 可优化编码所有治疗性蛋白质（包括单克隆抗体和抗癌药物）的 mRNA。
2023年7月，团队在预印本bioRxiv上发表论文，进一步开发了用于环状RNA结构预测和序列设计的circDesign算法平台。
研究团队将circDesign算法应用于基于circRNA的狂犬病疫苗和带状疱疹疫苗的序列优化设计，增强了小鼠模型中circRNA的序列稳定性、蛋白翻译效率和免疫原性，成功验证了circDesign平台在circRNA序列设计优化中的有效性。
据悉，这是全球首例通过人工智能算法对环状RNA进行优化设计的案例，有望简化环状RNA的序列优化设计，提高效率、稳定性和蛋白质翻译水平。
circDesign算法和LinearDesign共同创始人、中国药科大学张良教授表示，与线性RNA相比，环状RNA的序列设计需要考虑的因素更多，目前团队正在积极探索不同RNA平台的设计算法，希望AI技术能加速RNA疫苗和药物的研发。
环状RNA的问题
环状RNA研究领域近年来取得了新的进展，但随着该领域的发展，一些问题也暴露出来。
今年6月，环状RNA领域获得资金最多的公司Laronde被曝数据造假，其核心研究项目使用环状RNA来表达减肥药GLP-1，该事件也引发了人们对环状RNA潜力的怀疑。
开发基于合成生物学的 mRNA 疗法的公司 Strand Therapeutics 也开发了基于环状 RNA 的疗法，但该公司的联合创始人兼首席执行官 Jake Becraft 博士表示，环状 RNA 是垃圾！开发基于环状 RNA 的药物或疗法所涉及的挑战数量令人难以置信，而且经常被忽视。
8 月份，首个基于环状 RNA 的药物人体试验启动。但环状 RNA 距离引发药物研发革命，或实现拉隆德在本世纪末开发 100 种基于环状 RNA 的新药项目的承诺，还有很长的路要走。环状 RNA 的优势是否会使其优于其他持久疗法（如传统基因疗法）以及新兴的基因编辑疗法，仍是正在进行的研究和科学探索的领域。
但亚历山大·韦塞尔霍夫特（Alexander Wesselhoeft）——2018 年论文的第一作者，开创了外源环状 RNA 在真核细胞中表达蛋白质的新应用，也是 Orna Therapeutics 的联合创始人——仍然看好环状 RNA。他现在是麻省总医院布莱根基因和细胞治疗研究所的 RNA 治疗主任。他认为，尽管线性 mRNA 疫苗取得了巨大成功，但环状 RNA 才是未来的发展方向，将成为 RNA 治疗技术的首选。
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