Oligonucleotide trị liệu đang được quan tâm với nhiều tiềm năng cung cấp các phương pháp điều trị cho các bệnh di truyền và/hoặc các bệnh hiếm gặp. Những trình tự oligonucleotide DNA hoặc RNA này đã cách mạng hóa lĩnh vực y học hiện đại. Bài viết này sẽ cung cấp những thông tin xoay quanh oligonucleotide trị liệu, cách chúng hoạt động và các ứng dụng tiềm năng của chúng, đặc biệt tập trung vào sự đóng góp của oligonucleotide trong việc phát triển các liệu pháp điều trị và chuẩn đoán.
Oligonucleotide trị liệu là gì?
Các oligonucleotide trị liệu là các phân tử DNA hoặc RNA được thiết kế đặc biệt để tương tác với vật liệu di truyền của tế bào nhằm tạo ra tác dụng chữa bệnh trong cơ thể. Không giống như các loại thuốc thông thường nhắm vào protein hoặc enzyme, các oligonucleotide trị liệu hoạt động ở cấp độ di truyền, điều chỉnh biểu hiện của các gen cụ thể. Các oligonucleotide này có thể có nhiều dạng khác nhau, chẳng hạn như Antisense oligonucleotide (ASO), RNA can thiệp nhỏ (siRNA) hoặc microRNA (miRNA). Những phân tử oligonucleotide này đã trở thành vũ khí mạnh mẽ chống lại các bệnh di truyền và các bệnh rối loạn hiếm gặp khác.
2. Oligonucleotide trị liệu hoạt động như thế nào?
Chìa khóa để hiểu cách thức hoạt động của oligonucleotide trị liệu nằm ở khả năng can thiệp vào sự biểu hiện của các gen cụ thể. Các bệnh di truyền thường là kết quả của việc sản xuất protein bất thường do trình tự gen bị lỗi. Các oligonucleotide trị liệu được thiết kế để điều chỉnh hoặc thay đổi quá trình sản xuất các protein bất thường này. Các phương pháp điều trị chính dựa trên oligonucleotide bao gồm:
2.1. Antisense Oligonucleotide (ASO)
Antisense Oligonucleotide hay ASO là những phân tử oligonucleotide ngắn, mạch đơn có chiều dài từ 15 – 22 nu, được thiết kế để liên kết với các trình tự RNA mục tiêu mã hóa protein cũng như các RNA không mã hóa. Dựa trên cơ chế hoạt động của ASO với trình tự RNA mục tiêu, ASO có thể được chia thành các loại bao gồm: ASO phân hủy RNA (RNA degradation) và ASO cản trở.
(A) ASO phân hủy RNA qua trung gian enzyme RNAse H: các enzyme RNAse H này có chức năng xúc tác quá trình phân hủy RNA ở các trình tự mạch đôi lai giữa DNA và RNA. Hầu hết các thuốc antisense đều hoạt động thông qua cơ chế phụ thuộc RNase H. Các ASO phụ thuộc vào Rnase H thông thường được thiết kế để liên kết với trình tự RNA mục tiêu để tạo thành trình tự mạch đôi lai giữa ASO-RNA từ đó enzyme RNase H sẽ phân hủy và làm suy giảm RNA mục tiêu được ASO liên kết. Kết quả phân cắt, suy giảm của RNA mục tiêu có thể được kiểm tra bằng kỹ thuật RT-qPCR hoặc RNA-seq. Hầu hết các loại thuốc antisense đã được FDA chấp thuận đều thông qua cơ chế này. Một số ASO liên quan đến cơ chế này đã được FDA phê duyệt bao gồm: Fomivirsen, Mipomersen, Inotersen, Vutrisiran, Volanesorsen, Tofersen.
(B) ASO cản trở không gian (Steric-hindrance): Ngoài cơ chế phân cắt, suy giảm RNA thông qua enzyme Rnase H, các ASO này cũng có thể liên kết với RNA mục tiêu từ đó ngăn chặn cản trở sự tương tác giữa RNA mục tiêu với các phân tử khác trong tế bào. Các ASO chặn không gian nhắm mục tiêu vào các phần tử của RNA như vùng 5ʹ-UTR của mRNA có thể được liên kết để điều chỉnh tăng hoặc giảm dịch mã protein. Ví dụ, các ASO trùng lặp (overlap) hoặc gần với codon khởi đầu của mRNA có thể ngăn chặn sự liên kết hoặc lắp ráp của ribosome trên mRNA từ đó làm giảm quá trình dịch mã. Ngoài ra, các ASO nhắm mục tiêu vào các phần tử khác, như khung đọc mở ngược dòng (upstream open reading frame – uORF) hoặc cấu trúc kẹp tóc trong 5ʹ-UTR, có thể nâng cao khả năng dịch mã của gene. Một số ASO liên quan đến cơ chế cản trở không gian đã được FDA phê duyệt có thể kể đến là: Eteplirsen, Nusinersen, Golodirsen, Viltolanersen, Casimersen.
2.2. Small interfering RNA (siRNA)
siRNA là các phân tử RNA không mã hóa có cấu trúc mạch đôi, ngắn có vai trò đặc biệt trong việc điều hòa gen và cũng rất đặc hiệu vì chúng chỉ hoạt động trên một mục tiêu mRNA. Các siRNA chịu trách nhiệm làm im lặng gen ở cấp độ sau phiên mã bằng cách gây ra sự can thiệp RNA (RNAi). RNAi là một quá trình tự nhiên gây ra sự im lặng của gen thông qua sự phân hủy mRNA. Một siRNA thông thường có chiều dài từ 19–21 nucleotide cùng với hai nucleotide nhô ra ở đầu 3’, chủ yếu là TT và UU. Các siRNA sau khi tổng hợp thường được bảo vệ và vận chuyển bằng các hạt nano để đưa vào tế bào. SiRNA sau khi nhập bào sẽ tiến hành liên kết với các phần tử khác như Ago để lắp ráp thành phức hợp RISC (RNA-induced silencing complex). Các RISC sau khi được lắp rắp sẽ phân tách siRNA mạch đôi thành mạch đơn RNA, mạch đơn này có khả năng định hướn liên kết với mRNA mục tiêu sau đó phân hủy mRNA mục tiêu đã liên kết như hình 3. Tính đến tháng 12 năm 2022 đã có 5 loại thuốc siRNA được FDA Hoa Kỳ phê duyệt bao gồm: Patisiran, Givosiran, Lumasiran, Inclisiran và Vutrisiran.
2.3. MicroRNA (miRNA)
miRNA là các trình tự RNA không mã hóa, ngắn điều chỉnh biểu hiện gen bằng cách liên kết và phân hủy mRNA, ức chế dịch mã hoặc điều chỉnh tính ổn định của nó, cùng nhiều tác động khác. miRNA là một trình tự RNA đơn có chiều dài từ 21–25 nucleotide.
Các miRNA được tạo ra bắt đầu từ quá trình phiên mã của các miRNA gen dựa trên hoạt động của enzyme RNA pol II từ đó tạo ra những phân tử gọi là primary – RNA (Pri-miRNA). Các Pri-miR này sau đó bị cắt bởi enzyme RNase-III-Drosha (trong nhân) để tạo thành các phân tử có cấu trúc kẹp tóc gọi là precursor-miRNA (pre-miR). Sau khi được vận chuyển từ nhân ra ngoài tế bào chất dưới tác động của enzyme Dicer (ribonuclease III), các pre-miR này bị cắt thành những đoạn miR mạch đôi (21-25 nts) . Tiếp theo, chỉ một mạch miR kết hợp với các phân tử khác như AGO2 để tạo thành phức hợp RISC/miR. Phức hợp RISC/miR này sau đó liên kết bổ sung với mRNA đích, dẫn đến ức chế sự dịch mã (repression mRNA translation) hoặc phân huỷ các mRNA này (mRNA degradation), qua đó kiểm soát biểu hiện gen tương ứng.
Nhiều nghiên cứu đã chứng minh miRNA tham gia và đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình sinh lý và bệnh lý của cơ thể khác nhau như phân chia tế bào, chu trình chết tế bào, tạo ra tế bào thần kinh, biệt hóa tạo máu và miễn dịch. Chính vì vậy, sự biến đổi của các miR, sự rối loạn chức năng của quá trình sinh tổng hợp miR (miR biogenesis) hoặc sự rối loạn biểu hiện của miR có thể gây ra nhiều loại ung thư. Qua đó, miR trở thành một dấu ấn sinh học tiềm năng trong các nghiên cứu y sinh. Ngoài ra miRNA còn có các tiềm năng được sử dụng trong các rối loại khác ngoài ung thư, như trong các bệnh về rối loạn thoái hói thần kinh.
2.4. Aptamers
Aptamer là các trình tự oligonucleotide RNA hoặc DNA đơn ngắn thường có chiều dài 20 đến 60 nucleotide và có khả năng liên kết các phân tử protein mục tiêu bằng cách gấp lại thành cấu trúc ba chiều tương tự như kháng thể, với độ ái lực mạnh và độ đặc hiệu cao.
Hiện nay, một số lượng lớn aptamer được tạo ra có thể liên kết nhiều mục tiêu khác nhau bao gồm các phân tử vô cơ đơn giản đến các phức hợp protein lớn và toàn bộ tế bào. Trên thực tế, aptamer thường được gọi là “kháng thể hóa học” vì có chức năng tương tự với kháng thể truyền thống , nhưng việc tạo ra aptamer dễ dàng hơn và rẻ hơn đáng kể so với việc sản xuất kháng thể. Hơn nữa, aptamer không gây miễn dịch cũng như không độc hại. Tất cả những đặc điểm này làm cho aptamer trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng chẩn đoán và điều trị, tinh chế các phân tử mục tiêu từ các hỗn hợp phức tạp, thiết kế cảm biến sinh học (biosensor), v.v. Aptamer được áp dụng rộng rãi đến mức các báo cáo mới liên quan đến aptamer được công bố gần như mỗi ngày.
Một cơ sở dữ liệu đặc biệt đã được tạo (http://aptamer.icmb.utexas.edu) để phân loại dữ liệu liên quan đến aptamer và cung cấp quyền truy cập vào thông tin về nhiều aptamer hiện có. Aptamer thường được phân lập bằng một phương pháp được gọi Systematic Evolution of Ligands by EXponential enrichment (SELEX), được mô tả lần đầu tiên cách đây 25 năm. Aptamer đầu tiên được phê duyệt cho ứng dụng điều trị là pegaptanib natri (Macugen; Pfizer/Eyetech), được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ phê duyệt vào năm 2004 để điều trị thoái hóa điểm vàng và 8 aptamer khác hiện đang được đánh giá lâm sàng về các chỉ định về huyết học, ung thư, mắt và viêm khác nhau.
3. Các ứng dụng tiềm năng của Oligonucleotide trị liệu
Các oligonucleotide trị liệu có phạm vi ứng dụng rộng rãi, từ các bệnh di truyền thông thường đến các bệnh hiếm gặp. Một số ứng dụng nổi bật nhất bao gồm:
Bệnh di truyền: oligonucleotide có thể điều chỉnh đặc hiệu với các đột biến gen gây ra các bệnh như loạn dưỡng cơ Duchenne, teo cơ cột sống và xơ nang.
Ung thư: Các oligonucleoitde có thể nhắm mục tiêu vào các gen liên quan đến sự tăng sinh và sống sót của tế bào, đây là một phương pháp trị liệu mới trong cuộc chiến chống lại ung thư.
Bệnh thoái hóa thần kinh: Oligonucleotide có thể được sử dụng để điều chỉnh biểu hiện gen trong các bệnh như hội chứng Huntington và bệnh xơ cứng teo cơ một bên (ALS).
Bệnh chuyển hóa: Chúng có thể điều chỉnh các gen liên quan đến các bệnh chuyển hóa, chẳng hạn như tăng cholesterol máu mang tính chất di truyền.
Tài liệu tham khảo
- Anthony, K. (2022). RNA-based therapeutics for neurological diseases. RNA biology, 19(1), 176-190.
- Aptamers. (n.d.). Lubio.Ch. Retrieved June 11, 2024, from https://www.lubio.ch/blog/aptamers
- Collotta, D., Bertocchi, I., Chiapello, E., & Collino, M. (2023). Antisense oligonucleotides: a novel Frontier in pharmacological strategy. Frontiers in Pharmacology, 14, 1304342.
- Crooke, S. T., Liang, X. H., Baker, B. F., & Crooke, R. M. (2021). Antisense technology: A review. Journal of Biological Chemistry, 296.
- Dhuri, K., Bechtold, C., Quijano, E., Pham, H., Gupta, A., Vikram, A., & Bahal, R. (2020). Antisense oligonucleotides: an emerging area in drug discovery and development. Journal of clinical medicine, 9(6), 2004.
- Haque, U. S., & Yokota, T. (2023). Enhancing Antisense Oligonucleotide-Based Therapeutic Delivery with DG9, a Versatile Cell-Penetrating Peptide. Cells, 12(19), 2395.
- Introduction to therapeutic oligonucleotides: Transforming medicine from genetics. (n.d.). Oligofastx.com. Retrieved June 11, 2024, from https://oligofastx.com/introduction-to-therapeutic-oligonucleotides-transforming-medicine-from-genetics/
- Jiang, L., Qi, Y., Yang, L., Miao, Y. B., Ren, W., Liu, H., … & Cai, L. (2023). Remodeling the tumor immune microenvironment via siRNA therapy for precision cancer treatment. Asian Journal of Pharmaceutical Sciences, 100852.
- Keefe, A. D., Pai, S., & Ellington, A. (2010). Aptamers as therapeutics. Nature reviews Drug discovery, 9(7), 537-550.
- Oligonucleotide therapy development around the world. (2018, February 14). Atelocollagen.com; Koken Co., Ltd. https://atelocollagen.com/en/information/info180214
- Papaioannou, I., Owen, J. S., & Yáñez‐Muñoz, R. J. (2023). Clinical applications of gene therapy for rare diseases: A review. International Journal of Experimental Pathology, 104(4), 154-176.
- Ranasinghe, P., Addison, M. L., Dear, J. W., & Webb, D. J. (2023). Small interfering RNA: Discovery, pharmacology and clinical development—An introductory review. British Journal of Pharmacology, 180(21), 2697-2720.
