Abstract Triantennary N-acetyl galactosamine (GalNAc, GN3), a high-affinity ligand for the hepatocyte-specific asialoglycoprotein receptor (ASGPR), enhances the potency of second-generation gapmer antisense oligonucleotides (ASOs) 6–10-fold in mouse liver. When combined with next-generation ASO designs comprised of short S-cEt (S-2′-O-Et-2′,4′-bridged nucleic acid) gapmer ASOs, ∼60-fold enhancement in potency relative to the parent MOE (2′-O-methoxyethyl RNA) ASO was observed. GN3-conjugated ASOs showed high affinity for mouse ASGPR, which results in enhanced ASO delivery to hepatocytes versus non-parenchymal cells. After internalization into cells, the GN3-ASO conjugate is metabolized to liberate the parent ASO in the liver. No metabolism of the GN3-ASO conjugate was detected in plasma suggesting that GN3 acts as a hepatocyte targeting prodrug that is detached from the ASO by metabolism after internalization into the liver. GalNAc conjugation also enhanced potency and duration of the effect of two ASOs targeting human apolipoprotein C-III and human transthyretin (TTR) in transgenic mice. The unconjugated ASOs are currently in late stage clinical trials for the treatment of familial chylomicronemia and TTR-mediated polyneuropathy. The ability to translate these observations in humans offers the potential to improve therapeutic index, reduce cost of therapy and support a monthly dosing schedule for therapeutic suppression of gene expression in the liver using ASOs.

We have identified a small interfering RNA (siRNA) motif, consisting entirely of 2'-O-methyl and 2'-fluoro nucleotides, that displays enhanced plasma stability and increased in vitro potency. At one site, this motif showed remarkable >500-fold improvement in potency over the unmodified siRNA. This marks the first report of such a potent fully modified motif, which may represent a useful design for therapeutic oligonucleotides.

A series of antisense oligonucleotides (ASOs) containing either 2′- O -methoxyethylribose (MOE) or locked nucleic acid (LNA) modifications were designed to investigate whether LNA antisense oligonucleotides (ASOs) have the potential to improve upon MOE based ASO therapeutics. Some, but not all, LNA containing oligonucleotides increased potency for reducing target mRNA in mouse liver up to 5-fold relative to the corresponding MOE containing ASOs. However, they also showed profound hepatotoxicity as measured by serum transaminases, organ weights and body weights. This toxicity was evident for multiple sequences targeting three different biological targets, as well as in mismatch control sequences having no known mRNA targets. Histopathological evaluation of tissues from LNA treated animals confirmed the hepatocellular involvement. Toxicity was observed as early as 4 days after a single administration. In contrast, the corresponding MOE ASOs showed no evidence for toxicity while maintaining the ability to reduce target mRNA. These studies suggest that while LNA ASOs have the potential to improve potency, they impose a significant risk of hepatotoxicity.

Antisense oligonucleotides that reduce tau prevent neuronal loss and reverse tau deposition and seeding in a mouse model of tauopathy.

ABSTRACT Antisense oligonucleotides (ASOs) have emerged as a new class of drugs to treat a wide range of diseases, including neurological indications. Spinraza, an ASO that modulates splicing of SMN2 RNA, has shown profound disease modifying effects in Spinal Muscular Atrophy (SMA) patients, energizing the field to develop ASOs for other neurological diseases. While SMA specifically affects spinal motor neurons, other neurological diseases affect different central nervous system (CNS) regions, neuronal, and non-neuronal cells. Therefore, it is critically important to characterize ASO distribution and activity in all major CNS structures and cell types to have a better understanding of which neurological diseases are amenable to ASO therapy. Here we present for the first time the atlas of ASO distribution and activity in the CNS of mice, rats, and non-human primates (NHP), species commonly used in preclinical therapeutic development. Following central administration of an ASO to rodents, we observe widespread distribution and robust activity throughout the CNS in neurons, oligodendrocytes, astrocytes, and microglia. This is also the case in NHP, despite a larger CNS volume and more complex neuroarchitecture. Our results demonstrate that ASO drugs are well suited for treating a wide range of neurological diseases for which no effective treatments are available.

Parkinson's disease (PD) is a prevalent neurodegenerative disease with no approved disease-modifying therapies. Multiplications, mutations, and single nucleotide polymorphisms in the SNCA gene, encoding alpha-synuclein protein (aSyn), either cause or increase risk for PD. Intracellular accumulations of aSyn are pathological hallmarks of PD. Taken together, reduction of aSyn production may provide a disease-modifying therapy for PD. We show that antisense oligonucleotides (ASOs) reduce production of aSyn in rodent pre-formed fibril (PFF) models of PD. Reduced aSyn production leads to prevention and removal of established aSyn pathology and prevents dopaminergic cell dysfunction. In addition, we address the translational potential of the approach through characterization of human SNCA targeting ASOs that efficiently suppress the human SNCA transcript in vivo. We demonstrate broad activity and distribution of the human SNCA ASOs throughout the non-human primate brain and a corresponding decrease in aSyn cerebral spinal fluid (CSF) levels. Taken together, these data suggest that by inhibiting production of aSyn it may be possible to reverse established pathology and thus supports the development of SNCA ASOs as a potentially disease modifying therapy for PD and related synucleinopathies.

Repression of the memory suppressor gene histone deacetylase 2 ( Hdac2 ) in mice elicits cognitive enhancement, and drugs that block HDAC2 catalytic activity are being investigated for treating disorders affecting memory. Currently available compounds that target HDAC2 are not specific to the HDAC2 isoform, and have short half-lives. Antisense oligonucleotides (ASOs) are a class of drugs that base pair with RNA targets and exhibit extremely long-lasting, specific inhibition relative to small molecule drugs. We utilized an ASO to reduce Hdac2 messenger RNA (mRNA) quantities, and explored its longevity, specificity, and mechanism of repression. A single injection of the Hdac2 -targeted ASO in the central nervous system diminished Hdac2 mRNA levels for at least 4 months in the brain, and knockdown of this factor resulted in significant memory enhancement for 8 weeks in mice. RNA-seq analysis of brain tissues revealed that the ASO repression was specific to the Hdac2 isoform relative to other classical Hdac genes, and caused alterations in levels of other memory-associated mRNAs. In cultured neurons, we observed that the Hdac2 -targeted ASO suppressed Hdac2 mRNA and an Hdac2 non-coding regulatory extra-coding RNA (ecRNA). The ASO not only triggered a reduction in mRNA levels, but also elicited direct transcriptional suppression of the Hdac2 gene through blocking RNA polymerase II elongation. These findings suggest transcriptional suppression of the target gene as a novel mechanism of action of ASOs, and opens up the possibility of using ASOs to achieve lasting gene silencing in the brain without altering the nucleotide sequence of a gene.

Background: The intrathecal (IT) dosing route introduces drugs directly into the CSF to bypass the blood-brain barrier and gain direct access to the CNS. We evaluated the use of convective forces acting on the cerebrospinal fluid as a means for increasing rostral delivery of IT dosed radioactive tracer molecules and antisense oligonucleotides (ASO) in the monkey CNS. We also measured the cerebral spinal fluid (CSF) volume in a group of cynomolgus monkeys. Methods: There are three studies presented, in each of which cynomolgus monkeys were injected into the IT space with radioactive tracer molecules and/or ASO by lumbar puncture in either a low or high volume. The first study used the radioactive tracer 64Cu-DOTA and PET imaging to evaluate the effect of the convective forces. The second study combined the injection of the radioactive tracer 99mTc-DTPA and ASO, then used SPECT imaging and ex vivo tissue analysis of the effects of convective forces to bridge between the tracer and the ASO distributions. The third experiment evaluated the effects of different injection volumes on the distribution of an ASO. In the course of performing these studies we also measured the CSF volume in the subject monkeys by Magnetic Resonance Imaging. Results: It was consistently found that larger bolus dose volumes produced greater rostral distribution along the neuraxis. Thoracic percussive treatment also increased rostral distribution of low volume injections. There was little added benefit on distribution by combining the thoracic percussive treatment with the high-volume injection. The CSF volume of the monkeys was found to be 11.9 ± 1.6 cm3.