DCB產資組ITIS研究團隊
莊昭儀
2024年1月
藥物傳遞系統（Drug Delivery System, DDS）夠改變藥品的基本特性，包含其物理化學和生物特性，還可能使藥物動力學（Pharmacokinetics, PK）和生物活性分布（biodistribution）曲線完全不同。DDS具有三個重要功能：可以和藥品結合並能調整藥品負載量、在到達目標之前保持藥品與整體遞送系統的穩定性，以及透過時間與空間皆可監控的過程來釋放藥品。目前主要開發的DDS材料包含：脂質（lipids）、無機奈米顆粒（inorganic nanoparticles）、工程微粒（engineered microparticles）、水膠（hydrogels）、生物性大分子（biomacromolecules）、聚合物（polymers）和活性／滅活性微生物（live/deactivated microorganisms）。
由於RNA的療法需要將治療性RNA送至目標細胞內才能發揮作用，然而核酸的親水性、負電荷，及分子大小可能使其無法被動穿過細胞膜，因此，如何克服細胞內外屏障並且安全有效率的將RNA遞送到細胞內，是RNA治療是否成功的重要關鍵。過去核酸藥品的傳遞面臨了一些挑戰如：裸露的單鏈RNA可能會被酶降解，及可能活化免疫系統造成免疫脫靶效應（immunological off-target effects）等，均可能導致藥效不如預期，或嚴重副作用。為了克服上述RNA藥品傳遞的相關挑戰，體內RNA傳遞技術陸續出現新突破，如：脂質奈米顆粒（Lipid Nanoparticles, LNP）、共軛物（conjugates）、各類RNA序列修飾的使用。配合RNA藥品之治療特性、標靶細胞類型和所需的遞送途徑，如siRNA和mRNA多需要送至細胞質中才能發揮療效，而反義寡核苷酸（Antisense Oligonucleotide, ASO）和常間回文重複序列叢集（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat, CRISPR）則須送至細胞核中才可作用，選擇合適之DDS可以將核酸以更安全、有效的方法運送到細胞中，進而實現此類藥物的商業化落地，大大的提升了RNA產品的治療效率與成藥的可能性（表1）。
一、RNA藥品的給藥方式
RNA藥品的給藥方式可以分成3大類，包含：包覆型（encapsulated）、共軛結合型（conjugated），和直接以裸露RNA（naked RNA）給藥的方法；其中，包覆型又可以分為以病毒載體（viral vectors）包覆和以非病毒載體（non-viral vectors）包覆2種（圖1）。
以裸露RNA直接給藥比較不適合用於siRNA、miRNA和mRNA，但可用於ASO。包覆型的傳遞方式可適用於ASO、mRNA和siRNA藥品，而共軛結合型的傳遞方式已知用於已上市之siRNA藥品。每種RNA藥品的給藥方法都有其優點和缺點，相關說明如表2。
二、RNA藥品蓬勃發展驅動相關DDS市場增長
近年來，核酸藥品的核准不斷增加。以RNAi藥品為例，patisiran是2018年第一個獲得核准的藥品，第二個藥品givosiran於2019年獲得核准，lumasiran於2020年11月獲得核准，另外還有7個RNAi藥品：vutrisiran、nedosiran、inclisiran、fitusiran、teprasiran、cosdosiran和tivanisiran已進入臨床3期試驗階段，預計2025年也將獲得核准。根據BCC Research資料，開發中的RNA藥品，從2017年381件增加到2022年5月的852件，而臨床試驗也從2020年的104個試驗增加到2021年的197個。核酸藥品的蓬勃發展帶動了對於RNA DDS的需求，也推動了RNA DDS的市場。
RNA藥品的DDS可以分為兩種類型：利用載體傳遞的包覆型（encapsulated）和非利用載體傳遞的共軛結合型（conjugated）。根據BCC Research資料，2022年全球核酸藥品傳遞市場規模為9.0億美元（圖2），受核准上市的RNA藥品增加、新型RNA藥品輸送系統的出現與開發、核酸藥品市場的增長影響，預估2023～2028年核酸藥品傳遞市場將以20.5%的2位數年複合年成長率（Compound Annual Growth Rate, CAGR）增長，預計到2028年底市場規模將達到27.0億美元。2022年市場主要由價格較為昂貴之包覆型的傳遞系統占據，約占60.5%，此外該領域正在進行大量研究，如mRNA的疫苗即以使用包覆型的傳遞系統為主，是其市場占比較高的原因之一。
一些新型的輸送系統出現也將促進RNA DDS市場成長，如：外泌體、球形核酸（Spherical Nucleic Acids, SNA）和DNA奈米結構（DNA nanostructures）。外泌體是脂質膜包裹的囊泡，存在於所有體液中，並由大多數細胞分泌，是重要的細胞間通訊介質。外泌體可以運輸生物活性成分並克服生物屏障（如血腦屏障），且免疫清除率和不良影響小，所以修飾過的外泌體可用於傳遞不同種類的RNA。SNA是一群核酸與無機奈米顆粒核心共價鍵結所形成的球型結構，由於可以快速的被細胞攝取，並且引起的免疫反應可以忽略不計，所以能夠有效地傳遞核酸。DNA奈米結構是由DNA透過本身序列互補或共價結合的特性，組裝折疊成使用者定義的形狀，並可以透過在結構表面摻入ASO或siRNA來傳遞核酸藥品。
三、包覆型RNA藥品DDS中的病毒載體以腺相關病毒為主流
包覆型RNA藥品DDS中，病毒載體可以輕鬆的進入細胞、標靶困難靶點或度特異性的目標細胞，是傳遞RNA藥品有用而且強大的工具。但是病毒載體也存在著許多缺點，如：可能引起免疫反應、病毒誘導的免疫原性、可能將外來序列嵌入非目標基因、負載大小限制、無法再給藥（re-dose）、放大過程中涉及複雜及昂貴的載體生產。根據BCC Research資料，目前應用於基因治療的病毒載體已有5種：反轉錄病毒（Retroviruses, RV）、腺病毒（Adenoviruses, AV）、腺相關病毒（Adeno-Associated Viruses, AAV）、慢病毒（Lentiviruses, LV）和單純皰疹病毒（Herpes Simplex Viruses, HSV），各種病毒載體的優缺點分析於表3。其中，RV、AV、AAV和LV，因其可裝載傳遞的基因序列僅8.0Kb以下，若裝載更大的序列時可能導致病毒產量明顯下將。AAV因其具備安全性、低致病性、結構及製程簡單，以及高效且穩定的傳遞方式，所以成為基因療法中最受歡迎的病毒載體傳遞形式。根據BCC Research資料，2020年，基於病毒載體的基因治療領域的投資高達4.5億美元。
四、包覆型RNA藥品DDS中的非病毒載體以脂質為主流
包覆型RNA藥品DDS的非病毒系統，可依其材料分為3種主要類型：脂質（lipid-based）、聚合物（polymer based）和其他（如：無機材料、混合的材料）。
脂質與LNP是常見的DDS，如：FDA核准用於肝臟siRNA遞送（藥品patisiran的LNP）和mRNA疫苗（BNT162b2/ Pfizer-BioNTech和mRNA-1273/ Moderna COVID-19疫苗的LNP）遞送的LNP。FDA核准的LNP結構包含4種基本組成成分：膽固醇（cholesterol）、輔助脂質（helper lipid）如二硬脂酸基磷脂醯膽鹼（Distearoylphosphatidylcholine, DSPC）、PEG-脂質（poly (ethylene glycol) (PEG) -lipid），和陽離子（cationic）／可解離脂質（ionizable lipid）。上述4種成分可依不同比例組成LNP，例如圖3的Pfizer-BioNTech之COVID-19疫苗和Alnylam之patisiran，進而影響載體的穩定性或是進入細胞的效率。
脂質占包覆型RNA藥品DDS的非病毒系統市場比例最大，2022年占比73.1%，約為4.0億美元。由於COVID-19後mRNA藥品發展蓬勃，並且mRNA藥品多以脂質為載體材料，預估脂質材料的市場將以21.7%的CAGR快速增長，到2028年底將達到12.2億美元（圖4）。
五、共軛結合型DDS因其結構簡單易製造使市場快速增長
共軛結合型DDS的開發歷史始於1968年時，以發現去唾液酸糖蛋白受體（Asialoglycoprotein Receptors, ASGPR，又名hepatic binding protein或Ashwell–Morell receptor）為開端。GalNAc可與位於肝細胞竇（sinusoidal surface of the hepatocyte）表面的ASGPR結合。RNA治療公司Alnylam Pharmaceuticals首先開發出將修飾過後的siRNA分子與GalNAc中糖的結構部分結合，形成GalNAc-siRNA複合體，再藉由GalNAc與ASGPR結合特性以標靶肝細胞。由於siRNA-GalNAc複合體相較於LNP製劑，是一種結構簡單、分子更小且成分明確的肝臟遞送方法，近年來也吸引不少藥廠投入開發，如：Alnylam Pharmaceuticals、Arrowhead Pharmaceuticals和Dicerna Pharmaceuticals，市場快速成長，根據BCC Research資料，2022年全球共軛結合型DDS市場規模為3.6億美元，預估在2023～2028年將以17.9%的CAGR增長，預計到2028年底將達到9.8億美元（圖5）。
六、結語
過去10年，由臨床前和臨床數據可看出核酸療法治療疾病的潛力，因應COVID-19疫情而快速發展上市mRNA疫苗更是推動了該領域的進展。DDS的發展使核酸藥品在細胞中特定的位置發揮功效，推進了核酸療法的成功。
觀察目前FDA核准或獲EUA的3種RNA DDS，可以歸納出6個共同特點，滿足這些特點可能成為核准遞送載體的標準。這6個特點包括：（1）使用可生物降解、可量產的化學物質合成DDS、（2）DDS的化學結構需簡單，能大量生產以滿足臨床需求、（3）DDS必須具備可接受的標靶與脫靶遞送比率、（4）DDS攜帶RNA遞送系統攜帶RNA達到療效所需劑量應遠低於產生毒性的劑量、（5）藥品活性應在多批次間保持一致，即使在運輸之後也是如此、（6）在多數臨床情境下，為保持生物效應或劑量效應，需要重複給予RNA藥品，因此DDS應滿足重複給藥的需求。廠商在相關RNA藥品治療開發時可參考上述特點，提高RNA DDS開發的成功率。
臺灣核酸藥品多在早期開發階段，但已有不同廠商分別投入不同之關鍵技術，如：核酸藥品新藥開發、核酸DDS開發、核酸藥品量產代工製造。臺灣廠商如可以持續精進已投入的方向，透過專業分工，啟動產業合作，整合各自專業以加速臺灣核酸藥品發展，將有助於我國提高生技醫藥產業之國際競爭力。