siRNA 化学修饰最新研究进展调研报告(2024–2026)

一、摘要

本报告系统调研了 2024–2026 年间 siRNA 化学修饰领域的最新研究进展，覆盖五大修饰维度：糖环修饰、骨架修饰、碱基修饰、末端偶联策略，以及新型计算设计方法。重点文献来自 Nature Biotechnology、Nature Communications、Nucleic Acids Research、Molecular Therapy 等顶刊，共梳理核心论文 10 篇、关键数据库 1 个。

核心发现：

1. exNA 骨架修饰
   （Nat Biotechnol, 2024）实现核酸酶抗性 >1000 倍提升，是近年最重大的骨架化学突破；
2. 烷基膦酸酯单点种子区修饰
   （Nucleic Acids Res, 2025）可显著降低脱靶效应；
3. 二价脂质-白蛋白结合策略
   （Nat Commun, 2024）实现无载体 siRNA 的肝外高效递送；
4. DV25-DV29 新型修饰模式
   （Mol Ther Methods, 2025）通过对 2'-F 位置的精细调控，显著提升 PCSK9 siRNA 的效力与安全性；
5. 1260 条 siRNA 系统性评估
   （Nucleic Acids Res, 2025）首次揭示全化学修饰 siRNA 的理性设计规则；
6. CMsiRNAdb 数据库
   （BMC Bioinformatics, 2026）整合 43,153 条化学修饰 siRNA 数据，配套预测工具 Cm-siRPred。

二、糖环修饰（Sugar Modifications）

2.1 2'-O-Methyl (2'-OMe) 与 2'-Fluoro (2'-F)

2'-OMe 和 2'-F 是 siRNA 化学修饰的经典组合（"拉链模式"），几乎所有已上市 siRNA 药物均采用此策略。

2024–2025 年关键进展：

• 1260 条 siRNA 系统性评估（Nucleic Acids Res, 2025, PMID: 40548938）：该研究构建了 1260 种不同修饰模式的 siRNA 库，系统评估了 2'-OMe/2'-F 在不同链不同位置的组合效应。针对 APP、BACE1、MAPT 等治疗相关 mRNA，揭示了序列依赖性修饰最优规则——不同序列对 2'-F 分布位置敏感性差异显著，无"一刀切"的通用模式。

• DV25-DV29 修饰模式（Mol Ther Methods, 2025, PMID: 41210170）：通过精细调整 2'-F 在正义链（SS）和反义链（AS）关键位点的分布，设计了五种新型修饰模式。其中最优模式在保持 PCSK9 高效沉默的同时，显著降低肝毒性和脱靶效应。

  

• siRMSD 参数（Mol Ther Nucleic Acids, 2025）：提出了基于化学修饰诱导结构扭曲的 siRMSD 预测参数，可前瞻性评估 2'-F 修饰位置对脱靶效应的影响，为修饰位点选择提供了定量依据。

2.2 2'-MOE（2'-O-Methoxyethyl）

2'-MOE 是已上市 ASO 药物的主流修饰（如 Mipomersen、Inotersen），在 siRNA 中通常用于末端位置的有限替换。2024–2025 年文献显示，2'-MOE 在 siRNA 正义链 3'-末端可增强核酸酶抗性，但对 RNAi 活性有一定抑制，需权衡使用。

2.3 锁核酸（LNA）与桥联核酸（BNA/cEt）

LNA（Locked Nucleic Acid）和 cEt（constrained Ethyl）BNA 通过将核糖环锁定在 C3'-endo 构象，显著增强双链热稳定性（Tm 每修饰 +3~8°C）和核酸酶抗性。

• 结构引导修饰综述
  （Bioorg Med Chem, 2024）：系统比较了多种桥联核酸在 siRNA 中的应用，指出 LNA 在种子区可能引发脱靶 miRNA 样效应，推荐在正义链 3'-末端或反义链 5'-末端有限使用。

2.4 非锁定核酸（UNA）

UNA 缺乏 C2'-C3' 键，使核糖环呈柔性构象，可降低脱靶 miRNA 样效应。通常在种子区（反义链 2–8 位）引入 1–2 个 UNA 修饰，已成为减少脱靶的标准策略之一。

2.5 其他新型糖环修饰

• GNA（Glycol Nucleic Acid）
  ：更简单的丙二醇骨架，热稳定性较低但核酸酶抗性极强，用于正义链 3'-末端。
• Tricyclo-DNA（tcDNA）
  ：三环骨架，增强对核酸酶的抗性并改善组织分布，主要用于 ASO 领域，在 siRNA 中探索有限。

三、骨架修饰（Backbone Modifications）

3.1 硫代磷酸酯（PS）—— 金标准及其局限

PS 是目前唯一应用于临床 siRNA 的骨架修饰。通过将非桥氧替换为硫原子，显著增强核酸酶抗性。

局限性：PS 键引入手性中心（Rp/Sp），Rp 构型核酸酶抗性更优但合成困难；过量 PS 修饰（>50%）可导致非特异性蛋白结合和补体激活毒性。

3.2 exNA（Extended Nucleic Acid）—— 2024 年里程碑突破

化学结构：在核苷 5'-C 与 5'-OH 之间插入一个亚甲基（-CH₂-），使核糖-磷酸骨架"延长"，形成新型核酸类似物。

关键数据：

合成兼容性：与标准亚磷酰胺固相合成完全兼容，可精确控制修饰位置；与 PS 骨架结合使用效果最佳。

体内效果：

• 全身给药（DCA 偶联）：改善组织暴露和积累
• CNS 给药：显著提升脑中 siRNA 疗效

意义：首次通过单一骨架化学修饰实现核酸酶抗性 >1000 倍提升。exNA 不仅适用于 siRNA，还可拓展至 CRISPR guide RNA、ASO、mRNA 等所有寡核苷酸药物，有望解决肝外组织递送的长期瓶颈。

3.3 烷基膦酸酯（Alkyl Phosphonate）—— 种子区选择性修饰

策略：在 siRNA 反义链种子区（seed region, 2–8 位）引入单个烷基膦酸酯键（不带电荷的中性骨架连接）。

关键发现：

• 单点烷基膦酸酯修饰即可显著降低脱靶 mRNA 的沉默（通过减弱种子区与脱靶 mRNA 的碱基配对亲和力）
• 对靶标 mRNA 的沉默效率基本保持
• 改善治疗窗口（therapeutic window）

意义：提供了一种极其经济（仅需单点修饰）的方式来降低 siRNA 种子区驱动的脱靶效应，为改善 siRNA 特异性提供了新思路。

3.4 其他骨架修饰

• PMO（Phosphorodiamidate Morpholino）
  ：全中性骨架，已上市 ASO 药物（Eteplirsen 等）所用化学，在 siRNA 领域应用有限，主要因 RISC 加载对电荷有要求。
• PNA（Peptide Nucleic Acid）
  ：完全非天然骨架，高稳定性和亲和力，但细胞摄取差，主要用于诊断探针。

四、碱基修饰（Base Modifications）

碱基修饰在 siRNA 领域应用较少，主要原因是 A-form 双螺旋结构对碱基修饰容忍度低。

2024 年进展：

• 5-甲基胞苷（5mC）与假尿苷（Ψ）
  ：这些修饰主要应用于 mRNA 疫苗领域（如 COVID-19 mRNA 疫苗），在 siRNA 中的应用主要集中在降低 TLR 介导的免疫刺激。在 siRNA 正义链特定位置引入 5mC 可降低免疫原性而不显著影响 RNAi 活性。
• Nature Biotechnology
   (2024) 关于完全修饰 saRNA 的研究（PMID 相关），展示了在自扩增 RNA 中使用 5mC/Ψ 对蛋白表达的影响。

五、末端修饰与偶联策略（Terminal Conjugation）

5.1 GalNAc 偶联 —— 肝脏靶向的持续优化

进展：通过重新设计 GalNAc 配体化学结构，改善了与 ASGPR（去唾液酸糖蛋白受体）的结合亲和力和内化效率。针对 ANGPTL3 和 Lp(a) 两个靶点展示了优于上一代 GalNAc-siRNA 偶联物的沉默效果。

意义：GalNAc 偶联是已上市 siRNA 药物的标准递送策略（Inclisiran、Givosiran 等），该研究通过配体优化进一步提升了肝脏递送效率。

5.2 二价脂质-白蛋白结合策略 —— 肝外递送突破

设计策略：

1. 构建二价 C18 脂质-siRNA 偶联物库，系统优化：脂质价数（单价 vs. 二价）、PEG 接头长度（EG0–EG30）、分支点位置（近端 vs. 远端）、PS 键分布
2. 最优结构 si<(EG18L)2：近端分支点 + 18 个乙二醇单元 + 二价 C18 硬脂酰尾部

关键数据：

治疗优势：在三阴性乳腺癌模型中，siMCL1-L2 的治疗效果全面优于 MCL-1 小分子抑制剂 MIK665（Novartis/Servier 开发），且 20 mg/kg 剂量下未观察到显著毒性。

意义：实现了无载体（carrier-free）肝外 siRNA 高效递送，通过可逆白蛋白结合机制实现肿瘤靶向，为 siRNA 肿瘤治疗提供了全新策略。

5.3 胆固醇偶联

2024 年关键进展：

• Nature Nanotechnology
   (2024)：中科院上海药物所甘勇团队发现胆固醇富集外泌体可通过膜融合实现 siRNA 的直接胞质递送，绕过内体逃逸瓶颈
• 二价脂质策略（Duvall 团队）实质上是传统胆固醇偶联的结构进化版

5.4 其他偶联策略

• 抗体-siRNA 偶联物（ARC）
  ：利用抗体靶向特定细胞表面受体，实现细胞类型特异性递送
• 肽-siRNA 偶联物
  ：利用细胞穿透肽（CPP）或靶向肽增强细胞摄取
• 适配体-siRNA 偶联物
  ：核酸适配体提供另一维度的靶向能力

六、新型修饰模式与计算设计方法

6.1 DV25-DV29 修饰模式（2025）

设计思路：基于对已有 siRNA 修饰模式的综合分析，通过改变 2'-F 在正义链和反义链关键位置的分布，设计了 DV25-DV29 五种新型修饰模式，应用于已获批 siRNA 药物（靶向 PCSK9）的序列。

关键结果：最优修饰模式在体内展示出与已上市药物相当的 PCSK9 沉默效率，同时安全性谱明显改善（降低肝毒性和补体活化）。

意义：首次系统性探索了 2'-F 位置分布与安全性之间的构效关系，为下一代 siRNA 药物的修饰模式设计提供了新范式。

6.2 1260 条 siRNA 文库系统性评估（2025）

研究设计：

• 合成 ~1260 种不同修饰模式的 siRNA
• 靶向 APP、BACE1、MAPT 等治疗相关 mRNA
• 系统评估修饰模式、序列特征与靶标 mRNA 结构对沉默效率的影响

关键发现：

• 序列依赖性
  ：不同 siRNA 序列对同一修饰模式的响应差异很大，无通用最优修饰模式
• 靶标 mRNA 二级结构
  ：靶标位点的可及性（accessibility）是沉默效率的关键决定因素
• 修饰-序列相互作用
  ：2'-F 修饰在某些序列背景下增强活性，在其他序列背景下抑制活性

意义：为"全化学修饰 siRNA"的理性设计提供了数据基础，推动 siRNA 药物设计从经验试错走向数据驱动。

6.3 siRMSD 脱靶预测参数（2025）

核心贡献：提出 siRMSD（siRNA structural distortion induced by Modification）参数，定量化化学修饰导致的 siRNA 结构扭曲程度，并建立其与脱靶效应之间的预测模型。该参数可作为修饰方案选择的计算筛选工具。

七、数据库与计算工具

7.1 CMsiRNAdb（2026）

数据规模：

核心工具：

1. ModMapper
   ：化学修饰序列解析工具（Trie 树 + 最长前缀匹配），解决不同研究团队修饰命名不一致问题
2. Cm-siRPred
   ：基于 Transformer + CNN 多视图学习的 siRNA 效能预测模型
3. 多维检索系统
   ：支持按修饰类型/位置、细胞类型、靶基因、BLAST 比对等多维筛选

主要偏倚：Hep3B 细胞系占 29.9%，靶基因 PNPLA3/HSD17B13 过度代表，数据来源限于专利。