產業技術評析

在1989年Sidney Altman和Thomas Cech發現小分子RNA或DNA具有配體結合、催化、基因表達調控等功能獲得諾貝爾化學獎，但當時無法找到能與靶點結合篩選小分子RNA的技術，到1992年由Larry Gold與其學生Tuerk發現SELEX（systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX）技術能篩選獨特立體小分子RNA或單鏈DNA與標靶結合，此小分子RNA即為核酸適體（Aptamer），當時即認為此技術為可以取代抗體的重要技術，但核酸適體的篩選技術被發明人用專利保護，導致只有很少數的公司與研究單位可以授權使用，到2004年僅1個產品上市，到2015年僅10個新藥在研發中。反觀單株抗體技術在1975年發現，因為沒有專利保護被廣泛研發利用，到2004已有15個產品上市，到2015年廣泛開發有35個產品上市銷售額超過650億美元。2010年後隨著核酸適體（Aptamer）專利陸續到期，加上近年來DNA及RNA合成技術進步，合成成本大幅下降，核酸適體篩選技術逐漸成熟，因此核酸適體新藥的研發近年來快速發展，核酸適體成為疾病治療的另一重要新方向。
 

一、核酸適體的特性優於抗體
 

核酸適體具有特定三維構形的小分子RNA或單鏈DNA，長度在20～80個鹼基，核酸適體以構型互補模式（shape complementarity）特異性識別靶點，以高親和力與靶點結合，與抗體抗原反應類似，因此核酸適體可用作為與抗體類似的拮抗劑或分子靶向工具。
 

從核酸適體與抗體的特性比較參考表1，核酸適體的優點為可識別靶點廣泛如離子、多肽、小分子化合物、蛋白質、核酸、病毒、細菌、細胞、組織等應用範圍廣，而抗體僅辨識具有免疫抗原性的靶點；核酸適體與抗體兩者都有很高的結合特異性及結合性；核酸適體安定性佳對酸鹼及溫度耐受度好，抗體酸鹼及溫度耐受度差，需要低溫保存；核酸適體沒有免疫抗原性所以療效不會衰變，而抗體藥品長期使用身體會產生新抗體對抗使療效下降；核酸適體可以固相合成技術生產，生產時間約數小時，生產成本每克僅50美元，而抗體藥物由哺乳動物細胞發酵製造純化，生產約數天至數月，生產成本較高約每克300～500美元；核酸適體每批製造的差異性較低而抗體發酵製造每批製造的差異性較高；核酸適體結構修改較容易而抗體較難。核酸適體的缺點為分子小容易受到核酸酶的作用分解，在體內半衰期短，經過PEGylation後半衰期僅1～2天，要頻繁投藥，而抗體半衰期長達10～20天。
　　

資料來源：Progress in Pharmaceutical Sciences；DCB產業資訊組整理（2017.03）

二、SELEX篩選技術逐漸成熟應用加速
 

核酸適體由SELEX技術篩選，SELEX技術篩選程序為（參考圖1）：1、先合成RNA或DNA庫通常每一個RNA由30～50個鹼基組成；2、將隨機DNA庫與目標生物靶點作用，形成核酸適體與靶點結合體；3、將未結合的DNA洗去移除；4、將與結合的DNA適體用PCR技術擴增，產生新的DNA適體庫，進行下一輪篩選；5、經過約8～20輪篩選，將最後收集到有作用的核酸適體，再進行核酸適體的定序，鑑定具特異性核酸適體序列。
 

為提高SELEX的成功率，縮短篩選週期、賦予核酸適體特定功能，目前已有數十種改進的SELEX技術被建立，並成功篩選到數千個具有應用價值的核酸適體，靶點應用範圍涵蓋：離子、多肽、小分子化合物、蛋白質、核酸、病毒、細菌、細胞、組織等，核酸適體已被廣泛應用於基礎研究、疾病診斷、靶向治療、奈米技術、食品安全、環境監測等應用領域。在腫瘤治療的應用上已開發治療性核酸適體、核酸適體偶聯藥物（aptamer-drug conjugates, AptDC）、核酸適體靶向的奈米藥物、核酸適體介導的免疫治療等；其中核酸適體偶聯藥物可偶聯小分子藥物、基因藥物等，核酸適體亦可以將siRNA及miRNA等基因調控物質有效導入細胞內成為新一代癌症治療藥物，而近年來免疫檢查點和CAR-T細胞治療是近年來腫瘤免疫治療領域引人關注的研究領域，核酸適體用於腫瘤免疫治療的可行性也被廣泛研究。
 

資料來源：Analytical Methods（2015）
圖1　SELEX技術多次篩選核酸適體
 

三、受限於專利保護臨床研發中及上市產品少
 

從1990年SELEX技術被建立後，於1991年SELEX技術申請專利保護，之後又申請超過140項相關商業應用的專利的保護。因此在1990～2010年治療性核酸適體新藥的開發只有獲得專利授權的公司才可利用SELEX技術篩選核酸適體藥物開發，如Archemix公司獲得研發治療型產品的專利授權，Somalogic公司獲得研發診斷型產品的專利授權，NOXXON Pharm公司獲得開發Spiegelmer產品的專利授權等，也因為專利的限制，影響核酸適體藥物商業開發的進程，到目前為止僅有一個藥品上市，核酸適體第一個上市新藥為2004年美國FDA核准上市的Macugen產品，主成分pegaptanib，用於治療新生血管性（濕性）年齡相關性黃斑部變性（senile macular degeneration, AMD），作用在VEGF165，可增加血管生成及增加血管通透，早期由Gilead sciences開發，在2000年授權給Eye Tech Pharmaceuticals公司及Pfizer公司合作開發。目前臨床階段之產品共10件，且大部分是有專利授權的廠商在開發，主要應用於治療黃斑部病變、腫瘤、抗凝血、及炎症相關疾病。預估未來專利到期後將有更多的廠商投入此領域新產品的開發。
　　

資料來源：Medtrack；DCB產業資訊組整理（2017.03）

四、核酸適體技術逐漸成熟未來商機浮現
 

核酸適體儘管有良好的臨床應用潛力，但是主要的缺點在分子小生物穩定性較差，在體內半衰期較短，可採用化學修飾的方法延長半衰期，但會增加核酸適體的製造成本，如PEG修飾技術是小分子藥物常見的延長藥效的修飾技術，但PEG修飾後的藥物在一些臨床應用上會引起少發但嚴重的過敏反應，針對不同的核酸適體及不同的應用條件，須對修飾方法進行個體化考量。
 

目前有各種改良的SELEX方法可明顯提高篩選的成功率，並有效縮短篩選的週期，且傳統SELEX篩選過程仍無法預測核酸適體和靶點結合的具體位置，以及結合後具體的作用功能，需要後續的實驗進行分析。新的表位SELEX技術方法，可以彌補此一技術缺陷，另外SELEX技術無法多靶點同時進行高速篩選，一次只能針對單個或少數個靶點進行篩選，最近Hunniger建立一個半自動篩選平台，可同時完成12個靶點的SELEX篩選，大幅提高篩選的效率，核酸適體篩選技術趨於成熟。
 

抗體目前仍是市場上主導的分子識別工具，經過幾十年的實驗應用和臨床評價，抗體無論在技術原理、修飾方法、生產技術、臨床應用、評價體系、市場認知度等均較為成熟。核酸適體雖然在臨床應用有顯著的優勢，但在臨床測試體系和市場認知度仍須進一步提升，隨著核酸適體主要專利於2010年到期，其他相關專利在2010～2017年後也陸續到期，加上核酸合成技術的精進，大幅降低合成成本，由1990年每克1萬美元，降至2015年每克50美元，遠低於抗體發酵成本每克300～500美元，因此臨床應用的價值逐漸浮現，越來越多不同領域的科學家包括生物學、醫學、化學、生物訊息學及製藥公司投入核酸適體的研發，這將大幅加快核酸適體從基礎研發到臨床商業化應用的發展。
 

資料來源：MarketsandMarkets；DCB產業資訊組整理
圖2　2014～2020年核酸適體的市場預測
 

近年來核酸適體技術的基礎研究和商品化開發呈現爆炸成長，根據PubMed資料庫統計，截至2016年4月有近6,000篇相關文獻被發表，其中約70%的文獻是近五年內發表。依MarketsandMarkets報告中預測，核酸適體在治療、診斷、生物感應器、藥物篩選及生物標誌篩選等應用上，全球產品銷售額將從2014年3.4億美元，預估2020年成長到24.5億美元，2014～2020年複合年成長率高達17.9%，而銷售額隨者2018年後研發中新產品陸續上市將快速成長，可預見未來將會有更多的核酸適體相關產品上市，核酸適體商機逐漸嶄現。
 

參考資料
 

1. Progress in Pharmaceutical Sciences,”Aptamer Technology and its Applications in tumor diagnosis and therapy”,April 2016
 

2. Analytical Methods,”Whole-cell based aptamer selection for selective capture of microorganisms using microfluidic devices” July 2015
 

3. MarketsandMarkets “Aptamers Market by Type, Application, Technology& by End Users - Global Forecast to 2020”June 2015
 

4. Medtrack資料庫
 

(本文作者為生技中心執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)