反义寡核苷酸药物鞘内给药的药代动力学特征及评价策略
寡核苷酸药物（Oligonucleotide, ON）是目前发展最为迅猛的药物类型之一，有望引领继小分子和抗体药物研发后第三次新药研发浪潮。随着寡核苷酸药物的不断发展，其治疗领域以及适应症不断拓展，不再局限于肝脏靶向。中枢神经系统和眼科领域是小核酸药物的重点拓展领域，目前有14%的寡核苷酸药物靶向中枢神经系统领域（Central nervous system, CNS）[1]。
Nusinersen（诺西那生）是首个上市的靶向CNS领域的寡核苷酸药物，于2016年经FDA批准用于脊髓性肌肉萎缩症的治疗。据Biogen官网消息，2022年Nusinersen年度销售额为17.9亿美元，进入2022年全球药物销售额Top100，是目前销售额最高的寡核苷酸药物。Nusinersen的成功大大提升了寡核苷酸药物研究者们在中枢神经系统领域的信心。表1中总结了目前处于临床阶段或已上市的靶向CNS的寡核苷酸药物。从表中数据可知，除Analym公司的ALN-APP属于siRNA外，其余寡核苷酸药物均为反义寡核苷酸（Antisense oligonucleotides, ASOs）。而且无论是siRNA还是ASO均采用了鞘内给药（Intrathecal injection, IT）的给药方式。由此可见，目前靶向CNS的寡核苷酸药物主要通过鞘内给药的方式入脑。本文将以Nusinersen的临床前药代动力学研究为例[2]，深入剖析鞘内给药ASO的药代动力学特征。
表1. 临床阶段或已上市靶向CNS的寡核苷酸药物[3]
一、鞘内给药的概念
鞘内给药是指在腰椎或小脑延髓池部位将药物直接注射到包含脑脊液的鞘囊中的给药方式。本节内容将通过对脑脊液（Cerebrospinal fluid, CSF）产生和循环的介绍，进一步阐述ASO选择鞘内给药的合理性及ASO鞘内给药后的药代动力学特征解析。
脑脊液的产生和循环
一般来说，系统给药后，药物随着血液循环分布到全身各处，我们通常重点关注的是血液中的药时曲线。与此不同，鞘内给药将药物注射于脑脊液中，而不是血液，要想了解ASO鞘内给药后的药代动力学特点，需要对脑脊液的产生和循环有一定的认识。中枢神经系统由于血脑屏障的存在，是一个相对封闭的系统，内里是脑脊液充斥在整个中枢神经系统。药物进入脑脊液中，跟随脑脊液的循环发挥作用。
脑脊液循环素有人体第三循环之称（图1）[4]。其经典的循环理论认为，CSF主要由侧脑室和第四脑室的脉络丛产生。脑脊液从侧脑室流经第三脑室、第四脑室后到达大脑后下部的小脑延髓池，并进入环绕大脑和脊髓的蛛网膜下腔，来到大脑背面，经蛛网膜粒渗透到硬脑膜窦（主要是上矢状窦）内，回流入血液中。
图1. 脑脊液的产生和循环[5]
为什么靶向CNS的寡核苷酸药物选择鞘内注射？
从寡核苷酸药物的角度来说，寡核苷酸药物由于其自身分子量大，带有负电荷等固有属性，极难通过血脑屏障到达中枢神经系统。而通过纳米制剂，或者偶联配体等技术进入CNS的寡核苷酸药物，引入了非药效结构，不仅有潜在的安全风险，也将延长寡核苷酸药物的前期研发周期。
鞘内注射通过将寡核苷酸药物直接注射到脑脊液中，绕过了血脑屏障；同时大大降低了给药剂量，减少全身不良反应。此外，寡核苷酸药物在中枢神经系统中的长半衰期也大大减少了鞘内给药的频次，有利于提高患者的依从性[6]。
鞘内给药后寡核苷酸药物的体内处置过程
了解寡核苷酸药物经鞘内给药后在体内的处置过程，有利于其药代动力学性质的研究。寡核苷酸药物通过鞘内注射进入到脑脊液后，参与脑脊液循环。部分寡核苷酸药物被脑组织摄取，在脑组织和脑脊液两者间形成动态平衡；部分寡核苷酸药物随着脑脊液的循环，从中枢神经系统中消除进入血液循环，进入血液循环的寡核苷酸药物，被外周组织摄取，形成外周组织与血液的动态平衡。而由于血脑屏障的存在，进入血液循环的寡核苷酸药物很难再次进入中枢神经系统。
图2. 模拟ASO药物入脑后分布和消除的动态过程[7]
二、鞘内给药ASO后药代动力学特征解析及思考
作为首个获批的鞘内给药的寡核苷酸药物，对Nusinersen的临床前药代动力学特征的剖析将有助于推进临床前ASO鞘内给药的药代动力学研究。
“
鞘内给药后ASO在中枢神经系统中的处置特征
鞘内给药这一给药方式使得药物能绕过血脑屏障进入CNS。Nusinersen鞘内给药后直接进入脑脊液循环，没有吸收过程。其进入脑脊液后迅速达峰，在脑脊液中Tmax为0.25 h，前12小时内完成了基本的分布，在脑脊液中暴露量（AUC）的增长基本集中在前12小时。除去被CNS组织摄取外，还有部分药物进入血液循环。由于这部分药物先经历脑脊液循环后进入血液循环，血浆中Nusinersen的达峰时间远滞后于脑脊液，血浆Tmax为4 h，血浆药时曲线有明显的吸收相。Nusinersen在血浆中的浓度也远远低于脑脊液中的药物浓度，两者Cmax相差约1000倍。
表2. Nusinersen临床前成年猴数据与结果[2]
*：中位值（数值范围）。表中无*标记的数值均为平均值。
ND = No data (无数据提供)。
基于Nusinersen鞘内给药后脑脊液及血浆分布特征，建议：
- 对于鞘内给药PK，给药后24 h内脑脊液与血浆的采集时间点应该适当增加，才能更好地描绘其药时曲线，了解其药代动力学特征。
- 重点关注脑脊液与血浆药物浓度的差异，有助于识别实验中出现的异常数据。
- 预估药物在脑脊液中的初始浓度。由于中枢神经系统是相对封闭的，而动物体内脑脊液体积是相对固定的，这也就导致药物进入CNS后，可以通过剂量和脑脊液的体积来粗略的估计其初始浓度。以Nusinersen为例，其给药剂量为3 mg/猴，成年猴脑脊液体积约为15 mL[8]，可以估算其在脑脊液中的药物初始浓度约为200 µg/mL（剂量/CSF体积），同实测Cmax 值592 µg/mL相差不大。
Nusinersen临床前组织分布研究伴随毒理研究进行。Nusinersen在CNS组织中以腰椎为中心，向头部尖端呈浓度梯度分布，腰椎部位浓度最高，浓度按照胸椎、颈椎、大脑皮层等依次递减。此外，部分进入血液循环的药物会快速被肝脏和肾脏组织摄取。从表3中可见，肾皮质中的药物浓度同CNS组织中浓度最高的腰椎部位浓度相近，达到了61.3 μg/g。Nusinersen在组织中的消除半衰期长。在Day365腰椎部位其浓度仍有4.34 μg/g，申报资料中显示其在CNS组织中消除半衰期长达139±54天。
表3. Nusinersen临床前成年猴多次IT给药[2]
*: μg/g。第1、8、15、22天分别给药1 mg/猴后，在给药后第29、85、183、253和365天采集组织。
BLQ: Below limit of quantitation (<0.015 µg/g). 低于定量下限。
基于Nusinersen的组织分布及消除特征，建议：
- 对于IT给药的寡核苷酸药物组织分布研究，应着重于脑组织的研究，对脑组织和脊髓组织进行分区采集和分析，从而更全面地评估药物的分布情况。
- 除了脑组织外，预期肝脏和肾脏组织也是主要分布器官，需要重点考察。
- 应适当延长其组织采集周期（甚至可以长达一年）。
鞘内给药后ASO在系统循环中的处置
ASO进入血液循环后，其代谢与排泄与系统给药相似，主要由核酸酶代谢，由肾脏排泄。
根据以上特征，建议：
- 对于鞘内给药寡核苷酸药物，在研究其系统循环药代动力学特征时，其研究方法与其他系统给药方式类似。
- 除常规血浆、肝脏和肾脏的代谢产物鉴定外，由于是靶向CNS，还可酌情增加脑组织和CSF的代谢产物鉴定。
- 对于处于前期研发的寡核苷酸药物，可以增加脑组织匀浆稳定性的研究，用以早期筛选化合物。
鞘内给药后ASO的PK/PD研究
如前文所述，由于寡核苷酸药物在脑脊液循环中被迅速清除，靶向CNS的寡核苷酸药物的PK-PD研究主要是建立在CNS组织药物浓度与CNS组织中的药效生物标志物的量效关系上。Nusinersen的PK-PD研究正是如此，通过建立CNS组织中药物浓度与药效生物标志物的量效关系，计算出相应的有效浓度及剂量（图3）[9]。
图3. 小鼠胸椎组织中Nusinersen浓度与药效生物标志物研究
*FL SMN指全功能性SMN（值越高代表药效越好），Δ7 SMN指不包含外显子7 SMN（值越低代表药效越好）, 均是相关的药效生物标志物。
此外，根据《健康成年志愿者首次临床试验药物最大推荐起始剂量的估算指导原则》，鞘内给药后，药物在各种属之间的剂量换算是基于脑脊液的体积进行换算，而不是常规的体表面积或者等效游离系统暴露量折算。以Nusinersen的首次人体剂量换算为例（表4），根据药效和毒理结果，Nusinersen临床前剂量（综合NOAEL以及药效考量）被定为1 mg/猴，首次人体临床实验的起始剂量为1 mg/人。其中经过了人体等效剂量和安全阈值的换算。关于人体等效剂量，根据人和猴之间脑脊液体积的比例（猴CSF体积为15 mL，人CSF体积为150 mL[8]），从临床前剂量到人体等效剂量，其换算因子为10。
表4. Nusinersen人体首次剂量换算(单次剂量递增实验)
结语
本文主要介绍了首个靶向中枢神经系统的ASO药物Nusinersen，并对其临床前药代动力学数据进行了总结和分析。Nusinersen通过鞘内给药的方式突破血脑屏障，靶向中枢神经系统。本文致力于通过对ASO药物Nusinersen的数据分析，由点及面，助力相关研究者了解鞘内给药寡核苷酸药物临床前药代动力学研究及实验设计的要点。
鞘内给药是一种技术难度高的给药手段[10]。随着近年来中枢神经系统药物研究的不断加温，对鞘内给药技术的需求也逐步增加。药明康德DMPK有着完善的鞘内给药以及脑脊液采集技术，建立了全面的鞘内给药及脑室内给药技术平台，依托完善的神经系统药物药代动力学研究一体化平台，期待助力客户快速推进靶向神经系统的新药研发项目。
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参考文献：
[1] Moumné L, Marie AC, Crouvezier N. Oligonucleotide Therapeutics: From Discovery and Development to Patentability. Pharmaceutics. 2022;14(2). doi:10.3390/pharmaceutics14020260
[2] FDA and EMA Review.
[3] Goto A, Yamamoto S, Iwasaki S. Biodistribution and delivery of oligonucleotide therapeutics to the central nervous system: Advances, challenges, and future perspectives. Biopharm Drug Dispos. 2023;44(1):26-47. doi:10.1002/bdd.2338
[4] Ray LA, Heys JJ. Fluid flow and mass transport in brain tissue. Fluids. 2019;4(4). doi:10.3390/fluids4040196
[5] 柏树令，应大军. 系统解剖学（第八版）.; 2013.
[6] Khorkova O, Wahlestedt C. Oligonucleotide therapies for disorders of the nervous system. Nat Biotechnol. 2017;35(3):249-263. doi:10.1038/nbt.3784
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[8] Sadekar SS, Bowen M, Cai H, et al. Translational Approaches for Brain Delivery of Biologics via Cerebrospinal Fluid. Clin Pharmacol Ther. 2022;111(4):826-834. doi:10.1002/cpt.2531
[9] Rigo F, Chun SJ, Norris DA, et al. Pharmacology of a central nervous system delivered 2′-O-methoxyethyl- modified survival of motor neuron splicing oligonucleotide in mice and nonhuman primates. J Pharmacol Exp Ther. 2014;350(1):46-55. doi:10.1124/jpet.113.212407
[10] Sullivan JM, Mazur C, Wolf DA, et al. Convective forces increase rostral delivery of intrathecal radiotracers and antisense oligonucleotides in the cynomolgus monkey nervous system. J Transl Med. 2020;18(1):1-17. doi:10.1186/s12967-020-02461-2
作者：袁佳琪，侯丽娟，潘岩，金晶
编辑：方健，钱卉娟
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