RNA-basierte Impfstoffe sind die Helden der COVID-19-Pandemie und halten den Rekord für die kürzeste Impfstoffentwicklung aller Zeiten: Von der Entwicklung bis zur FDA-Zulassung verging nur ein Jahr. Kürzlich wurde die mRNA-Technologie mit dem Nobelpreis ausgezeichnet: Katalin Kariko und Drew Weissman erhielten den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 2023 für ihre Entdeckung von Nukleosidbasenmodifikationen, die zur Entwicklung wirksamer mRNA-Impfstoffe gegen COVID-19 führten.
Es ist seit langem bekannt, dass die RNA-Technologie eine entscheidende Einschränkung aufweist: RNA liegt typischerweise in linearer Konfiguration vor, was zu einer relativ kurzen Lebensdauer dieser mRNA-Form führt. Innerhalb weniger Stunden bauen intrazelluläre Nukleasen diese Moleküle ab. Während die flüchtige Natur der RNA für Impfstoffe unproblematisch ist, da sie nur eine kurze Zeit benötigt, um Proteine zu kodieren, die eine Immunreaktion auslösen, stellt sie für die meisten therapeutischen Anwendungen, bei denen eine längere RNA-Stabilität erwünscht ist, eine Herausforderung dar. Zirkuläre RNAs (circRNAs) mit ihrer kovalent geschlossenen Ringstruktur bieten einen entscheidenden Vorteil, da sie sich vor dem Abbau durch Nukleasen schützen und so ihre Stabilität erhöhen und ihre Lebensdauer verlängern. Theoretisch könnte zirkuläre RNA selbst bei niedrigen Dosierungen die therapeutische Wirksamkeit steigern.
Entdeckung und Entwicklung zirkulärer RNA
Zirkuläre RNAs wurden erstmals 1976 entdeckt, galten aber als Nebenprodukte von mRNA-Spleißfehlern in Zellen. 2013 erschienen zeitgleich zwei Forschungsarbeiten zu zirkulärer RNA in der Fachzeitschrift Nature. Sie wiesen darauf hin, dass zirkuläre RNA eine Art nicht-kodierende RNA mit regulatorischer Wirkung ist und die Expression anderer Gene reguliert, indem sie wie ein Schwamm für miRNA wirkt. Dies macht zirkuläre RNA, die seit über 30 Jahren inaktiv war, zu einer neuen Generation von Starmolekülen. Sie spielt eine wichtige regulatorische Rolle bei der Zelldifferenzierung, der Gewebehomöostase, der Krankheitsentstehung und dem Immunstoffwechsel.
Im Juli 2018, einem wichtigen Wendepunkt in der Geschichte der zirkulären RNA-Entwicklung, veröffentlichten Daniel Anderson und andere Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) einen Artikel in der Zeitschrift Nature Communications, der erstmals zeigte, dass gentechnisch veränderte zirkuläre RNA Proteine in eukaryotischen Zellen stabil und effizient exprimieren kann. Die neuartige Anwendung fremder zirkulärer RNA zur Proteinexpression in eukaryotischen Zellen hat zudem bewiesen, dass zirkuläre RNA ein wirksamer Ersatz für lineare mRNA ist.
Boom des zirkulären RNA-Unternehmertums
Basierend auf dieser Forschung gründete Daniel Anderson Orna Therapeutics, das weltweit erste Unternehmen, das neue Therapien mit zirkulärer RNA entwickelt. Die Kerntechnologie des Unternehmens liegt in der Entwicklung der RNA-Zyklisierungstechnologie. Dabei gelang es, ein ultralanges zirkuläres RNA-Konstrukt zu entwickeln, um die 12.000 Nukleotide lange mRNA zu zyklisieren, die für Dystrophin kodiert, welches bei der Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) fehlt.
Doch Orna ist nicht das einzige Startup, das an der Zyklisierung arbeitet. Auch andere Unternehmen verfolgen einen anderen Ansatz zur Herstellung zirkulärer RNA. Torque Bio beispielsweise überträgt die Bauanleitung für zirkuläre RNA in Viren und fügt sie in deren Zellen ein, um diese zu produzieren. Chimera Therapeutics nutzt gentechnisch veränderte Bakterien zur Produktion zirkulärer RNA.
Darüber hinaus gibt es zwei Startups aus China, Cyclocode Biology und Cremate, die in separaten, im letzten Jahr als Vorabdrucke veröffentlichten Artikeln neue RNA-Zyklisierungstechnologien entwickelt haben.
Vorteile und Fortschritt der zirkulären RNA
Howard Chang von der Stanford University spricht über die Vorteile der zirkulären RNA und argumentiert, dass man mit nur einer Injektion ein ausreichend haltbares Protein erhalten könne.
Im Juli 2022 veröffentlichte das Team von Zhang Yuanhao einen Artikel in der Zeitschrift Nature Biotechnology, der zeigte, dass durch mehrere Optimierungsdesigns die Proteinausbeute einer erfolgreichen zirkulären RNA-Translation um das Hundertfache gesteigert werden konnte, wodurch eine effektive und dauerhafte Proteinproduktion in vivo erreicht werden kann.
Zhang gründete zusammen mit dem mRNA-Pionier Drew Weissman, Gewinner des Nobelpreises für Physiologie oder Medizin 2023, und anderen ein Unternehmen namens Orbital Therapeutics, das in der ersten Hälfte dieses Jahres eine Serie-A-Finanzierungsrunde im Wert von 270 Millionen US-Dollar abschloss.
Befürworter der zirkulären RNA-Technologie erwarten, dass sie sich zur bevorzugten RNA-Plattform der Pharmaindustrie entwickeln und möglicherweise die nächste Generation von Impfstoffen, Therapien für seltene Krankheiten und Krebsmedikamenten ermöglichen wird.
Bei der Entwicklung zirkulärer RNA als Therapie müssen wir die zusätzliche Sequenz im Ringbildungsprozess entfernen, um eine unnötige Immunreaktion zu vermeiden. Lingling Chen, Forscherin am Center of Excellence in Molecular and Cellular Sciences der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, es hänge maßgeblich von der spezifischen Art und Weise ab, wie die zirkuläre RNA aufgebaut sei. Ihre im November 2021 in der Fachzeitschrift Molecular Cell veröffentlichte Forschung zeigt, dass beim Aufbau zirkulärer RNA die vom selbstspleißenden Motiv hinterlassene Sequenz die RNA-Faltung verzerrt, was zu einer unregelmäßig strukturierten Ringstruktur führt, die eine Immunreaktion auslöst.
In manchen Fällen ist eine Immunreaktion jedoch erwünscht. Im März 2022 veröffentlichte ein Team um Professor Wei Wensheng von der Universität Peking einen Artikel in der Fachzeitschrift Cell. Die Studie an Mäusen und Affen zeigte, dass zirkuläre RNA-Impfstoffe im Vergleich zu linearen mRNA-Impfstoffen mehr neutralisierende Antikörper und wirksamere T-Zell-Reaktionen induzierten. Zudem ist zirkuläre RNA bei Raumtemperatur stabiler als lineare mRNA, sodass Impfstoffe auf Basis zirkulärer RNA ohne Kühlkette gelagert und transportiert werden können. Professor Wei Wensheng gründete Cyranos Bio und hat mit der Erprobung eines zirkulären RNA-COVID-19-Impfstoffs am Menschen begonnen. Dies ist das erste Mal, dass ein synthetisches zirkuläres RNA-Medikament am Menschen getestet wurde. Im Jahr 2023 könnten weitere Medikamente auf Basis zirkulärer RNA in die klinische Erprobung gehen, darunter ein Krebstherapeutikum von CureVac, das zirkuläre RNA zur Kodierung des immunstimulierenden Moleküls Interleukin-12 (IL-12) verwendet.
Orna bereitet den Beginn einer klinischen Studie einer zirkulären RNA-Therapie im Jahr 2024 vor. Diese zirkuläre RNA-Therapie kann Immunzellen so umprogrammieren, dass sie Blutkrebs bekämpfen. Auf der Konferenz der American Society of Gene and Cell Therapy (ASGCT) im Mai dieses Jahres präsentierten Ornas Wissenschaftler präklinische Forschungsergebnisse, die zeigten, dass die Injektion einer niedrigen Dosis LNP-vermittelter zirkulärer RNA in Mäuse T-Zellen in situ umprogrammieren und Tumore in einem Mausmodell für Leukämie eliminieren konnte, ohne dass komplexe Zelltechnik oder hochintensive Konditionierungsmedikamente erforderlich waren.
Synthetische zirkuläre RNAs können nicht nur therapeutische Proteine kodieren. Wenn sie sich in spezifische Formen falten, können diese zirkulären RNAs auch direkt an Zielmoleküle wie Antikörper binden und so als eine Art Medikament, sogenannte Aptamere, dienen. Sie können verschiedene Arten von regulatorischen Molekülen einfangen, isolieren und so effektiv aus der zellulären Umgebung entfernen. Sie können auch als „Antisense-Faktoren“ fungieren, um an Gentranskripte (mRNAs) zu binden und deren Expression zu blockieren oder zu verändern. Darüber hinaus können sie als Leitmoleküle für RNA-Editierungsanwendungen dienen und spezifische Enzyme zu den mutierten Gentranskripten leiten, die korrigiert werden müssen. Verschiedene Startups erforschen diese Anwendungen aktiv.
Künstliche Intelligenz fördert die Forschung zu zirkulärer RNA
Im Mai 2023 veröffentlichten Huang Liang und Zhang Liang (derzeit Professor an der China Pharmaceutical University), beide von Baidu Research USA, in Zusammenarbeit mit Sinovac eine Arbeit in der renommierten internationalen Fachzeitschrift Nature. Sie nutzten Werkzeuge der künstlichen Intelligenz (KI), um die mRNA-Sequenz des Impfstoffs zu optimieren und so zur Entwicklung wirksamerer und stabilerer mRNA beizutragen.
Diese Forschung liefert nicht nur ein zeitgemäßes und vielversprechendes Werkzeug für mRNA-Impfstoffe, sondern bietet auch großes Potenzial für mRNA-Therapien, die das Gesundheitswesen revolutionieren könnten. LinearDesign, ein im Rahmen der Studie entwickeltes lineares Design-Tool, optimiert die mRNA, die alle therapeutischen Proteine kodiert, einschließlich monoklonaler Antikörper und Krebsmedikamente.
Im Juli 2023 veröffentlichte das Team einen Artikel im Preprint bioRxiv, in dem es die Algorithmusplattform circDesign zur Vorhersage der Struktur und Sequenzgestaltung zirkulärer RNA weiterentwickelte.
Das Forschungsteam wandte den circDesign-Algorithmus auf das Sequenzoptimierungsdesign des auf circRNa basierenden Tollwutimpfstoffs und des Herpes-Zoster-Impfstoffs an, wodurch die Sequenzstabilität, die Proteintranslationseffizienz und die Immunogenität von circRNA in Mausmodellen verbessert wurden, und verifizierte erfolgreich die Wirksamkeit der circDesign-Plattform bei der Optimierung des circRNA-Sequenzdesigns.
Berichten zufolge handelt es sich hierbei um den weltweit ersten Fall, in dem das Design zirkulärer RNA durch Algorithmen künstlicher Intelligenz optimiert wurde. Dies dürfte das sequenzoptimierte Design zirkulärer RNA vereinfachen und die Effizienz, Stabilität und das Niveau der Proteintranslation verbessern.
Professor Zhang Liang von der China Pharmaceutical University, Mitentwickler des circDesign-Algorithmus und von LinearDesign, erklärte, dass das Sequenzdesign für zirkuläre RNA im Vergleich zu linearer RNA mehr Faktoren berücksichtigen müsse. Das Team erforscht derzeit aktiv Designalgorithmen für verschiedene RNA-Plattformen. Es besteht die Hoffnung, dass KI-Technologie die Entwicklung von RNA-Impfstoffen und -Medikamenten beschleunigen wird.
Probleme mit zirkulärer RNA
Auf dem Gebiet der zirkulären RNA wurden neue Fortschritte erzielt, doch mit der Entwicklung dieses Gebiets sind auch einige Probleme aufgetaucht.
Im Juni wurde bekannt, dass Laronde, das am stärksten finanzierte Unternehmen im Bereich der zirkulären RNA, Daten gefälscht hatte. In seinem Kernforschungsprojekt nutzte es zirkuläre RNA zur Expression von GLP-1 zur Gewichtsabnahme. Dies weckte auch Zweifel am Potenzial zirkulärer RNAs.
Strand Therapeutics, ein Unternehmen, das synthetische, biologische mRNA-basierte Therapien entwickelt, hat ebenfalls Circra-basierte Therapien entwickelt. Der Mitbegründer und CEO des Unternehmens, Dr. Jake Becraft, sagte jedoch, Circra-RNAs seien Schrott! Die zahlreichen Herausforderungen bei der Entwicklung eines Medikaments oder einer Therapie auf Circra-RNA-Basis sind überwältigend und werden oft übersehen.
Der erste Versuch am Menschen mit einem Medikament auf Basis zirkulärer RNA wurde im August gestartet. Zirkuläre RNAs sind jedoch noch weit davon entfernt, eine Revolution in der Arzneimittelentwicklung auszulösen oder Larondes Versprechen zu erfüllen, bis Ende des Jahrhunderts 100 neue Medikamentenprogramme auf Basis zirkulärer RNAs zu entwickeln. Ob die Vorteile zirkulärer RNA sie anderen dauerhaften Behandlungen wie der traditionellen Gentherapie sowie neuen Genomeditierungstherapien überlegen machen, bleibt Gegenstand laufender Forschung und wissenschaftlicher Untersuchungen.
Alexander Wesselhoeft, Erstautor der 2018 erschienenen Arbeit, die neue Anwendungen fremder zirkulärer RNAs für in eukaryotischen Zellen exprimierte Proteine aufzeigte, und Mitbegründer von Orna Therapeutics, ist jedoch weiterhin optimistisch in Bezug auf zirkuläre RNAs. Er ist heute Direktor der RNA-Therapie am Brigham Institute for Gene and Cell Therapy des Massachusetts General Hospital. Er ist überzeugt, dass zirkuläre RNAs trotz des großen Erfolgs linearer mRNA-Impfstoffe die Zukunft sind und die erste Wahl für RNA-Therapietechnologien sein werden.
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