Raziskave RNA v razvoju zdravil: preboji, priložnosti in izzivi

Uvod: RNA kot ključna molekula za življenje in zdravje

Že dolgo časa je znano, da so molekule RNA ene izmed najpomembnejših molekul za naše življenje. Na začetku je bilo prisotno mišljenje, da služijo zgolj kot posrednik med DNA in proteini, kasneje pa se je izkazalo, da so molekule RNA mnogo več kot le to, saj lahko opravljajo še veliko drugih funkcij, ki bistveno vplivajo na naše življenje, raziskovanje RNA pa je znanstvenikom prineslo že številne Nobelove nagrade. Danes je pomembno področje raziskav njihov učinek na zdravljenje različnih bolezenskih stanj, o čemer govori tudi ta seminarska naloga. V nadaljevanju so predstavljena različna področja, ki odpirajo možnost za zdravljenje bolezni s pomočjo RNA.

Zgodovinski pregled odkritij RNA mehanizmov

CRISPR-Cas: Bakterijski imunski sistem kot terapevtsko orodje

CRISPR (»Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats«) je posebno zaporedje DNK v bakterijah, za katerega so znanstveniki ob odkritju domnevali, da na nek način deluje kot obrambni sistem proti virusom. Kasneje je bilo pojasnjeno dejansko delovanje celotnega sistema. Ko virus okuži bakterijo, vanjo vbrizga svojo DNA. Bakterija razreže del te DNA in si ga shrani v CRISPR regijah. Ob naslednjem napadu virusa bakterija s pomočjo CRISPR ustvari RNA kopije shranjenih delov virusa. Te RNA kopije se nato vežejo na encime, ki nato s pomočjo te vezave prepoznajo iste regije na virusni DNA in jih nato razrežejo ter s tem onesposobijo virus. To odpira možnosti za zdravljenje bolezni.

Protismerna RNA: Zaviranje replikacije plazmidov in izražanja genov

Naslednjo izmed pomembnih odkritij, ki imajo potencial za zdravljenje, je odkritje protismerne RNA, ki lahko blokira replikacijo plazmida. Plazmid se začne podvajati s pomočjo posebne RNA, imenovane primer RNA II, na katero lahko vpliva protismerna RNA I. S tarčno RNA se poveže s tako imenovanimi »kissing« interakcijami. Obe molekuli RNA sestavljata zanka in odviti del. Najprej se med sabo povežeta odvita dela, kar sproži začetek odvijanja še zankastih delov. Na koncu se med sabo povežeta še zanki, kar povzroči trdno vezavo in prepreči delovanje primer RNA II. S pomočjo protismerne RNA ni mogoče vplivati le na podvajanje plazmida, temveč tudi na izražanje genov.

Ribocimi: RNA encimi z možnostjo cepitve virusne RNA

Tudi odkritje ribocimov ima lahko velik potencial za uporabo v medicini. Ribocimi so molekule RNA, ki imajo sposobnost kataliziranja kemičnih reakcij, podobno kot encimi. Nekateri med njimi vsebujejo aktivna mesta, ki omogočajo cepitev drugih RNA molekul. V medicini bi jih lahko uporabili, na primer, za usmerjeno cepitev RNA virusa HIV, kar bi lahko vodilo v njegovo inaktivacijo.

RNA interferenca (RNAi): Natančno utišanje specifičnih genov

RNAi (»RNA interference«) je biološki proces, s katerim lahko preprečimo translacijo ali izražanje genov. V današnjem času je RNAi eno izmed najobetavnejših področij za terapevtski razvoj. Razlog za to so visoka specifičnost, enostavna sinteza in majhna toksičnost. V mehanizmu RNAi sodeluje več različnih vrst majhnih RNA molekul. Primera sta siRNA (»small interfering RNA«) in miRNAs, (»microRNAs«), ki skrbita za regulacijo preživetja celice, rasti in diferenciacije. Glavno vlogo pri utišanju mRNA opravlja RISC (»RNA-induced silencing complex«). To je kompleks proteinov in RNA (na primer miRNA), ki prepozna tarčno mRNA in jo razgradi ali pa prepreči prevajanje v proteine.

RNAi pri zdravljenju raka: Vloga miRNA kot biomarkerjev

RNAi ima potencial v zdravljenju različnih bolezni. Z vplivanjem na supresorske in regulatorne gene tumorjev bi lahko močno omejili vpliv raka. Neregulirano nastajanje miRNA je značilno za rakave celice in ravno v tem je potencial za zdravljenje, saj miRNA delujejo kot indikatorji za zgodnje odkrivanje različnih rakavih obolenj, lahko pa nam pomagajo tudi pri napovedovanju odziva na kemoterapijo in radioterapijo.

lncRNA: Dolge nekodirajoče RNA in njihova vloga pri raku

Še ene izmed molekul, ki so zanimive za medicino so lncRNAs (»long non-coding RNAs«). To so RNA molekule daljše od 200 nukleotidov, ki igrajo ključno vlogo pri razvoju raka. lncRNAs lahko delujejo kot vaba za miRNA, ki se veže na njih namesto na mRNA in s tem preprečuje utišanje mRNA. Ugotovljeno je bilo tudi, da popravljajo poškodovano DNA tumorskih celic, kontrolirajo Warburgov efekt, lahko vplivajo na delovanje makrofagov, skrbijo pa tudi za »skrivanje« celic raka na jetrih pred imunskim odzivom.

RNA tehnologije v odkrivanju zdravil

RNA tehnologije so v zadnjem desetletju korenito spremenile področje biomedicine in farmacije. Te metode omogočajo natančno regulacijo izražanja genov, odkrivanje biomarkerjev bolezni ter razvoj novih terapevtskih pristopov. Med vodilnimi pristopi so RNA interferenca (RNAi), antisense oligonukleotidi (ASO), terapije z mRNA ter CRISPR-Cas sistemi, ki omogočajo ciljno gensko urejanje.

Tehnologije RNA pri odkrivanju zdravil

RNA interferenca (RNAi): Selektivno utišanje genov

RNA interferenca (RNAi) predstavlja naravni celični mehanizem utišanja genov, pri katerem se dvojna RNA (dsRNA) v celici razgradi v majhne interferenčne RNA (siRNA). Te se vključijo v kompleks RISC, kjer vodilna veriga prepozna in veže komplementarno mRNA, ki se nato cepi in razgradi. Posledično se prepreči sinteza beljakovin, kar omogoča selektivno utišanje bolezenskih genov. RNAi se uporablja za zdravljenje dednih bolezni, kot je Huntingtonova bolezen, ter za ciljanje virusnih mRNA pri okužbah s HIV ali hepatitisom B in C. Prav tako se preučuje v onkologiji za utišanje onkogenov. Vendar pa klinična uporaba zahteva reševanje izzivov, kot so tarčna dostava siRNA v določena tkiva, zaščita pred encimsko razgradnjo v krvi, zmanjševanje nezaželenih učinkov na netarčne gene ter preprečevanje imunskega odziva.

Antisense oligonukleotidi (ASO): Usmerjena regulacija izražanja genov

Antisense oligonukleotidi (ASO) so kratke verige nukleotidov, ki se komplementarno vežejo na tarčno mRNA. S tem lahko sprožijo razgradnjo mRNA preko RNaze H, mehansko ovirajo ribosome pri prevajanju ali vplivajo na splicing. Ta tehnologija omogoča natančno manipulacijo izražanja genov pri različnih boleznih. Med klinično odobrenimi zdravili so Nusinersen (za spinalno mišično atrofijo), Eteplirsen (za Duchennovo mišično distrofijo) in Inotersen (za transtiretinsko amiloidozo). ASO-ji se preučujejo tudi za zdravljenje ALS, Huntingtonove bolezni in nekaterih oblik raka.

mRNA terapije: Od cepiv do regenerativne medicine

mRNA terapije so pritegnile svetovno pozornost z razvojem cepiv proti COVID-19. Pri teh cepivih se v telo vnese mRNA, ki kodira virusni protein, npr. spike protein SARS-CoV-2. Celice prevedejo to mRNA v antigen, kar sproži imunski odziv. Uspeh teh cepiv je odprl vrata široki uporabi mRNA v medicini, saj tehnologija omogoča hitro prilagajanje in proizvodnjo. Poleg cepiv se mRNA raziskuje za zdravljenje genetskih bolezni, kot je cistična fibroza, kjer mRNA kodira funkcionalno različico manjkajočega proteina. V onkologiji mRNA cepiva spodbujajo imunski sistem k prepoznavanju tumorskih antigenov. Prav tako se mRNA uporablja v regenerativni medicini, kjer spodbuja sintezo rastnih dejavnikov za obnovo tkiv in celjenje ran.

CRISPR-Cas sistemi: Precizno gensko urejanje in etični izzivi

CRISPR-Cas sistemi omogočajo natančno in učinkovito gensko urejanje. S pomočjo vodilne RNA (gRNA) se encim Cas usmeri na specifično mesto v genomu, kjer povzroči prelom DNA. Celica popravi prelom bodisi z nestabilnim NHEJ mehanizmom, ki povzroča inaktivacijo genov, bodisi z natančnim HDR, kjer se lahko vnese želeno zaporedje. CRISPR se preučuje za zdravljenje genetskih bolezni, kot so srpastocelična anemija in cistična fibroza, za izboljšanje imunoterapij (npr. CAR-T celice) ter za odstranitev virusnega DNA pri okužbah. Vendar pa tehnologija sproža tudi etične razprave, predvsem zaradi možnosti nenamernih mutacij in germinalnih sprememb, ki bi se prenašale na potomce.

Napredne RNA tehnologije: Od RNA-seq do umetne inteligence

Napredne RNA tehnologije vključujejo RNA-seq, ki omogoča podroben vpogled v izražanje genov, ter sekvenciranje posameznih celic, ki razkriva celično heterogenost. Epitranskriptomika pa preučuje kemične modifikacije RNA (npr. m6A), ki vplivajo na stabilnost, lokalizacijo in translacijo RNA ter so povezane z boleznimi. Za detekcijo teh modifikacij se uporabljajo napredne metode, kot so masna spektrometrija in nanoporna sekvenciranja. Poleg tega umetna inteligenca omogoča napovedovanje RNA strukture, funkcije ter identifikacijo biomarkerjev, kar podpira razvoj personalizirane medicine. RNA tehnologije tako danes predstavljajo enega najperspektivnejših temeljev za razvoj ciljnih in učinkovitih zdravil prihodnosti.

Aplikacija RNA tehnologij pri zdravljenju

RNA tehnologije so že pripomogle k številnim pomembnim dosežkom v odkrivanju zdravil in zdravljenju različnih bolezni. Ena ključnih aplikacij RNA tehnologij je identifikacija tarč za zdravila. RNA-seq omogoča prepoznavanje genov, miRNK in fuzijskih proteinov, ki so ključni za odziv na zdravila ter razumevanje bolezni, kot so rak, virusne okužbe in dedne bolezni. To omogoča, da identificiramo specifične tarče, na katere se zdravila lahko vežejo, ter pomaga pri odkrivanju novih terapevtskih poti. RNA-seq prav tako omogoča uporabo RNA molekul kot biomarkerjev. Z analizo spremenjenih profilov RNA molekul lahko spremljamo napredovanje bolezni ter odziv na zdravljenje. Ta pristop je še posebej pomemben pri rakavih obolenjih, kjer lahko RNA profiliranje omogoči boljšo izbiro zdravljenja. Prav tako ključna je RNAi, saj omogoča analizo genov in njihovih interakcij, kar pripomore k odkrivanju novih terapij. RNAi je pomembna pri odkrivanju potencialnih terapevtskih tarč, saj omogoča ciljno utišanje specifičnih genov, ki so vključeni v patogenezo bolezni. RNA tehnologije se uporabljajo tudi pri razvoju sistemov za dostavo zdravil, saj so RNA molekule zaradi svoje velikosti in negativnega naboja pogosto težko dostopne celicam. Za uspešno dostavo RNA zdravil so potrebni specializirani nosilci, kot so lipidni nanodelci, ki omogočajo zaščito RNA pred razgradnjo in učinkovitejšo dostavo v celice. Lipidni nanodelci so se izkazali za uspešne pri dostavi mRNA cepiv, kot je cepivo proti COVID-19, kar spodbuja nadaljnje raziskave na tem področju. Med najpomembnejšimi RNA terapevtskimi pristopi so mRNA cepiva, siRNA terapije in ASO. mRNA cepiva so omogočila hitro in učinkovito preprečevanje virusnih okužb, medtem ko so siRNA terapije pokazale obetavne rezultate pri zdravljenju že prisotnih virusnih okužb, kot so HIV, hepatitis B in gripi. ASO se uporabljajo za nadzor ekspresije genov in so obetavni pri zdravljenju raznih dednih bolezni ter rakavih obolenj. S tem se RNA tehnologije izkazujejo za pomemben korak v iskanju novih zdravil in terapij za bolezni, ki so bile doslej težko zdravljene.

Izzivi in prihodnost zdravljenja z RNA

RNA terapije se soočajo z več tehničnimi in biološkimi izzivi, pri čemer sta stabilnost in dostava ključna problema. RNA molekule so naravno nagnjene k razgradnji s strani ribonukleaz, kar omejuje njihovo stabilnost v bioloških sistemih. Za izboljšanje stabilnosti in biološke razpoložljivosti se razvijajo novi dostavni sistemi oziroma nosilci, kot so razni nanodelci, med katerimi so najpogosteje uporabljeni lipidni nanodelci (LNP), ki preprečujejo razgradnjo RNA, dokler ta ne pride do cilja. K stabilnost pa pripomorejo tudi kemijske modifikacije RNA molekul. Poleg tega RNA terapije lahko povzročijo neželene stranske učinke na nenamerne ciljne strukture in imunske odzive, kar lahko privede do vnetij ali celo do celične smrti. Rešitev za to vključuje uporabo naprednih nosilcev, ki so specifični za tkiva. To lahko dosežejo s funkcionalizacijo liganda na nosilcu, s čimer povečajo specifičnost nosilca in s tem posledično zmanjšajo možnost stranskih učinkov. Poleg tega uporabljajo napredne algoritme za oblikovanje RNA zaporedij, da bi zmanjšali nenamerne učinke in zmanjšali aktivacijo imunskega sistema. Velik problem pri uporabi RNA v zdravilih je tudi etika, saj genske terapije, kot je uporaba tehnologij CRISPR-Cas9, sproža pomisleke v zvezi z morebitno zlorabo, nenamernimi genetskimi posledicami in družbenimi vplivi genetskih sprememb. Kljub tem izzivom RNA raziskave ponujajo velike možnosti za prihodnost, saj tehnologije, kot sta mRNA cepiva in RNA interferenca, obetajo revolucijo v nadaljnjem odkrivanju zdravil ter razvoju novih terapevtskih možnosti za bolezni, ki so doslej veljale za neozdravljive. V prihodnosti se pričakuje tudi razvoj personaliziranih RNA terapij in širši nabor zdravljenj, tudi zunaj področij cepljenja in utišanja genov. V veliko pomoč je uporaba umetne inteligence in strojnega učenja za napovedovanje strukture in delovanja RNAj saj to še dodatno pospešuje razvoj novih načinov zdravljenja.

Viri

• Aja, Patrick Maduabuchi, idr. „RNA research for drug discovery: Recent advances and critical insight“. Gene, let. 947, maj 2025, str. 149342. ScienceDirect, https://doi.org/10.1016/j.gene.2025.149342.
• Korin, Efrat, idr. „GalNAc Bio-Functionalization of Nanoparticles Assembled by Electrostatic Interactions Improves siRNA Targeting to the Liver“. Journal of Controlled Release: Official Journal of the Controlled Release Society, let. 266, november 2017, str. 310–20. PubMed, https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2017.10.001.
• Abudayyeh, Omar O., idr. „RNA Targeting with CRISPR–Cas13“. Nature, let. 550, št. 7675, oktober 2017, str. 280–84. DOI.org (Crossref), https://doi.org/10.1038/nature24049.
• Springer, Aaron D., in Steven F. Dowdy. „GalNAc-siRNA Conjugates: Leading the Way for Delivery of RNAi Therapeutics“. Nucleic Acid Therapeutics, let. 28, št. 3, junij 2018, str. 109–18. PubMed, https://doi.org/10.1089/nat.2018.0736.