Evaluation of Phosphorus and Non-Phosphorus Neutral Oligonucleotide Backbones for Enhancing Therapeutic Index of Gapmer Antisense Oligonucleotides

寡核苷酸 化学 磷酸二酯键 核酸酶 膦酸盐 异丙基 DNA 核苷酸 生物物理学 核糖核酸 生物化学 立体化学 生物 有机化学 基因
作者
Guillermo Vasquez,Michael T. Migawa,Wei Wan,Audrey Low,Michael Tanowitz,Eric E. Swayze,Punit P. Seth
出处
期刊:Nucleic Acid Therapeutics [Mary Ann Liebert]
卷期号:32 (1): 40-50 被引量:23
标识
DOI:10.1089/nat.2021.0064
摘要

The phosphorothioate (PS) linkage in an essential component of therapeutic oligonucleotides. PS in the DNA region of gapmer antisense oligonucleotides (ASOs) supports RNaseH1 activity and enhances nuclease stability. PS also promotes binding to plasma, cell surface, and intracellular proteins, which facilitates tissue distribution, cellular uptake, and endosomal escape of PS ASOs. We recently showed that site-specific replacement of PS in the DNA gap with methoxylpropyl phosphonate (MOP) linkages can enhance the therapeutic index of gapmer ASOs. In this article, we explored 18 phosphorus- and non-phosphorus-based neutral backbone modifications to determine the structure-activity relationship of neutral linkages for enhancing therapeutic index. Replacing MOP with other alkyl phosphonate and phosphotriester linkages enhanced therapeutic index, but these linkages were susceptible to chemical degradation during oligonucleotide deprotection from solid supports following synthesis. Replacing MOP with non-phosphorus linkages resulted in improved chemical stability, but these linkages were introduced into ASOs as nucleotide dimers, which limits their versatility. Overall, linkages such as isopropyl and isobutyl phosphonates and O-isopropyl and O-tetrahydrofuranosyl phosphotriesters, formacetal, and C3-amide showed improved activity in mice relative to MOP. Our data suggest that site-specific incorporation of any neutral backbone linkage can improve therapeutic index, but the size, hydrophobicity, and RNA-binding affinity of the linkage influence ASO activity.
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