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偶聯藥物在抗腫瘤中的應用

發布時間:2020-05-25 08:53:53 | 來源:【藥物研發團隊 2020-05-25】
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目前,臨床應用的抗腫瘤藥物主要是化療藥物和分子靶向藥物?;熕幬镆卜Q為細胞毒藥物,能作用于細胞生長繁殖的不同環節,可抑制或殺死腫瘤細胞,但由于這類藥物不能專一靶向于腫瘤細胞,在抑制或殺滅腫瘤細胞的同時,也將正常細胞抑制或殺滅,常伴有全身毒性和嚴重不良反應,但仍然是目前治療腫瘤的主要手段之一。分子靶向藥物是利用腫瘤細胞與正常細胞之間分子生物學上的差異(包括基因、酶、信號轉導等不同特性),抑制腫瘤細胞的生長增殖,最后使其死亡。但腫瘤是一種復雜病因的疾病,作用于腫瘤的某一個或某幾個靶點難以完全抑制或殺滅腫瘤細胞,易產生耐藥性。因此,臨床上常采用化療藥物聯合、化療藥物與分子靶向藥物聯合、分子靶向藥物聯合來克服化療藥物或分子靶向藥物的不足,提高抗腫瘤治療的效果,減低毒副作用,延緩耐藥性的發生。

為了攻克腫瘤治療難題,徹底治愈腫瘤,科學家們除了不斷深入研究腫瘤的發生、發展機制以及基因組學、蛋白質組學、轉錄組學、代謝組學、化學組學等基礎研究外,還在不斷探索開發新的抗腫瘤藥物,如利用細胞焦亡機制殺滅腫瘤細胞、利用PROTAC技術降解異常表達的蛋白從而抑制腫瘤細胞、利用藥物偶聯技術開發抗腫瘤藥物等。之前,我們已經介紹了PROTAC藥物在抗腫瘤中的作用,細胞焦亡與抗腫瘤將另寫專篇介紹。本文主要介紹偶聯藥物在抗腫瘤中的應用。

一、偶聯藥物概述

偶聯藥物是指為了增加細胞毒藥物的靶向性、提高其療效,通過連接鏈將細胞毒分子與具有腫瘤靶向性的成分偶聯,制成一個新的細胞毒分子靶向分子實體,用于靶向抗腫瘤的藥物,是腫瘤靶向治療藥物研發的重要發展方向。

偶聯藥物分為小分子偶聯藥物(SMDC)和抗體偶聯藥物(ADC)。SMDC是由小分子的靶向配體與細胞毒藥物偶聯所得,ADC是單克隆抗體和細胞毒分子的偶聯物。

SMDC

SMDC與ADC的設計原理相同,即通過化學方法把高活性的效應分子和一些能選擇性地結合腫瘤細胞表面受體的小分子配體偶聯,借此提高效應分子對腫瘤細胞的靶向性。SMDC的化學結構和ADC幾乎完全一樣,但是采用小分子配體(ligand)替代單克隆抗體。同樣,SMDC由靶向性配體、接頭(Linker)和效應分子三個部分組成。

Endocyte和默沙東的Vintafolide可能是目前臨床上走在最前面的SMDC,由葉酸和抗有絲分裂化療藥物長春堿通過雙巰鍵偶聯制備。歐洲藥監局(EMA)已經接受了vintafolide的上市申請(MAA),與多柔比星、聚乙二醇脂質體多柔比星(PLD)聯用治療葉酸受體陽性且對鉑耐藥的卵巢癌。

SMDC的作用機制與ADC相似,但與ADC相比,SMDC能更快速均勻地分散到腫瘤組織中,且成本低、無免疫原性。但遺憾的是,雖然SMDC分子明顯小于ADC,而且簡化了制造工藝,但卻以損失靶向特異性和代謝穩定性為代價,合適的小分子配體難以獲得,極大地限制了SMDC的發展。尤其是以多肽為配體的SMDC(比如Pentarin)半衰期很短,通常只有幾分鐘到十幾分鐘,遠遠小于抗體的數周時間。所以開發SMDC幾乎不可避免地需要同時開發一種有效的藥物輸送模式。例如,Tarveda的納米制劑平臺能形成平均直徑為50納米的納米球,有效地延長了Pentarin的代謝半衰期。雖然輔以納米制劑基本上解決了給藥間隔問題,但SMDC在臨床試驗中的表現還有更多改良空間,目前仍無SMDC上市,要成為一種有效的靶向藥物輸送模式還有很長的路要走,SMDC藥物的開發還在繼續爬坡。

ADC

作為一種有效的靶向藥物輸送方式,抗體藥物偶聯物(ADC)已經在臨床上獲得驗證(Mylotarg、Adcetris和Kadcyla三個ADC藥物獲批上市,但Mylotarg后來撤市),而且單克隆抗體對腫瘤細胞表面抗原的特異性通常也高于小分子配體,那么SMDC相比ADC又有哪些優勢呢?除了生產成本之外,ADC以及單克隆抗體的最大缺陷是因為分子量太大難以有效地滲透,進入腫瘤組織。當藥物的分子量超過1萬時則很難有效地擴散到腫瘤組織,這也是制藥工業開發納米抗體或相應ADC藥物的主要原因之一。相反,Pentarin的平均分子量只有3300,體外實驗表明Pentarin在腫瘤組織內能有效地滲透到腫瘤深處。

二、偶聯藥物研發

偶聯藥物通過其具有“制導”作用的腫瘤靶向性成分精準引導具有“核彈”作用的細胞毒分子特異性殺滅腫瘤細胞。因此,偶聯藥物也被認為是更高級的藥物靶向遞送系統,在業內被譽為具有新作用機制的升級版抗腫瘤藥物。無論是ADC還是SMDC,正確的靶標和腫瘤靶向性成分的選擇以及連接鏈分子和細胞毒分子的選擇是偶聯藥物研發的四大核心要素。

(一)SMDC研發[1]

SMDC由小分子靶向配體、細胞毒分子和連接基三部分組成,其抗腫瘤作用機制是SMDC以靜脈注射的方式進入血液循環,通過血液循環進入腫瘤組織后,與腫瘤細胞表面的專一或相關聯的受體結合,隨后在受體介導下,發生細胞內吞,形成的核內體與溶酶體發生融合,釋放到細胞質中的細胞毒分子與DNA、微管蛋白等結合,影響腫瘤細胞的復制或有絲分裂,誘導腫瘤細胞凋亡。

SMDC為細胞毒分子的靶向治療提供了另外一種策略,彌補了ADC的不足之處,但由于其小分子配體較難獲得,在一定程度上限制了SMDC的發展。盡管目前尚無SMDC獲批上市,但隨著DNA編碼化合物庫(DEL)技術的快速發展,將加快小分子配體的發現,促進SMDC的發展。

根據SMDC的組成結構和作用機制,SMDC的設計主要包括以下幾個方面:

1、腫瘤靶標受體的選擇

ADC類似,SMDC靶向的受體在腫瘤細胞表面要過表達,其表達量要足夠多以傳遞有效量的藥物進入細胞內。比較理想的受體應能頻繁被循環利用(內吞進入細胞再回到細胞膜)以及降解后能夠快速再生。SMDC可利用的受體數取決于受體的循環率和再生率。因此,SMDC給藥量要考慮到受體的循環率和再生率,避免引起毒性。

目前,SMDC可利用的靶標較少,比較常用的是葉酸受體、前列腺特異性膜抗原、生長抑素受體、碳酸酐酶IX,也有其他受體如磷脂絲氨酸。

特別值得一提的是,由于在腫瘤細胞膜表面的谷胱甘肽或蛋白酶的含量遠遠高于正常細胞,因此部分由二硫鍵或肽鍵連接配體與細胞毒分子的SMDC并不需要內吞進入腫瘤細胞,而是在腫瘤細胞膜表面即被裂解,釋放出細胞毒分子發揮抗腫瘤作用,如靶向碳酸酐酶IX的SMDC并不能被有效地內吞進入腫瘤細胞,但也能有效殺死腫瘤細胞。

2、腫瘤靶向性小分子配體的選擇

腫瘤靶向性小分子配體的選擇有以下要求:

(1)小分子偶聯藥物的腫瘤靶向性小分子配體要對受體有足夠的選擇性和親和力,其親和力(KD)至少要達到10nmol/L;

(2)配體要有修飾位點可與細胞毒分子連接而不會影響其作用;

(3)小分子配體要大小合適,避免SMDC太大而影響藥物在腫瘤部位的積聚速率和含量。

小分子偶聯藥物不受腫瘤密集的細胞外基質和畸形淋巴系統的影響,能更多、更快地滲透到腫瘤組織中,而且與體積較大的ADC相比,未與受體結合的SMDC能更快速地從體內排泄,避免長時間血液循環導致細胞毒藥物釋放引起不良反應。

ADC相比,SMDC的小分子配體一直較難獲得,主要使用的是天然來源配體的衍生物。目前,應用前景較好的是靶向葉酸受體的葉酸衍生物、靶向前列腺特異性膜抗原的谷氨酸脲衍生物、靶向生長抑素受體的生長抑素類似物、靶向碳酸酐酶IX的芳香磺酰胺化合物。

傳統方法是通過高通量篩選獲得小分子配體先導化合物,再進行優化得到小分子配體,但這種方法成本高且不易獲得具有高親和力的小分子配體。

隨著DNA編碼化合物庫(DEL)技術的出現和快速發展,小分子配體先導化合物的可獲得性大大提高。相較于高通量篩選,DEL能更專一地篩選出具有高親和力的小分子配體先導化合物。該技術是利用與DNA進行分子水平對接的化合物庫和靶點進行篩選,獲得表現優秀的先導化合物,再對該先導化合物進行優化獲得高效的小分子配體。

3、細胞毒分子的選擇

SMDC與ADC同為配體偶聯藥物,其對細胞毒分子的要求基本相同,所用細胞毒分子也基本相同,如美登素、卡奇霉素等。

4、連接基的選擇

SMDC對連接基的要求與ADC基本一致,通過改變連接基的極性,可調節偶聯物的藥代動力學和藥效學性質。但SMDC所用的連接基一般是可斷裂的(不可斷裂的連接基經常用于配體偶聯類顯像劑和易被外排泵排出細胞外的ADC),由于SMDC能在幾分鐘至1小時內快速地與受體結合及被腎臟清除,因此SMDC對連接基的穩定性要求與需要在血液中循環較長時間的ADC相比較低,一般只要求保持幾分鐘至1小時的穩定性。

SMDC的連接基一般包括隔離區和可裂解區。連接基的隔離區有以下作用:

(1)可改變自身長度,降低配體和細胞毒分子間的空間干擾,避免影響配體與受體的親和力;

(2)提高自身親水性,增加配體偶聯物的親水性,避免SMDC因親脂性太高而穿透正常組織細胞的細胞膜,產生靶向性太低和引起不良反應的問題。

SMDC的連接基同樣可以分為酸裂解(如腙)、還原裂解(如纈氨酸-瓜氨酸肽鍵。

ADC研發

ADC是通過一個化學鏈接將具有生物活性的小分子藥物連接到單抗上,單抗作為載體將小分子藥物靶向運輸到目標細胞中。

1、ADC作用方式

(1)循環。ADC藥物采用系統暴露的方式給藥,首先進入血液系統,由于抗體相對分子質量約為150ku,而細胞毒藥物相對分子質量約為1ku,ADC藥物循環中的性質基本與“裸”抗體一致。

(2)結合抗原??贵w識別特異性的抗原位點,該過程將決定靶向投遞的特異性。

(3)內化??贵w與細胞膜上受體結合后,發生內吞。

(4)藥物釋放。連接子在細胞內溶酶體中裂解,釋放出小分子細胞毒藥物。

(5)發揮藥物作用。小分子細胞毒藥物發揮作用,殺傷腫瘤細胞。

除上述常見的ADC作用方式外,有些ADC不進行內吞,而在胞外釋放,在局部微環境發揮作用。

2、ADC作用機制[1]

ADC以靜脈注射給藥的方式進入血液循環,能避免被胃酸和蛋白水解酶破壞。通過血液循環進入腫瘤組織后,與腫瘤細胞表面抗原結合。隨后在受體介導下,大多通過網格蛋白的牽引發生細胞內吞,形成核內體。氫離子流入核內體中形成酸性環境,有利于新生的特異性親和免疫球蛋白(Fc受體)ADC的單克隆抗體結合,其中部分ADC與Fc受體結合后被排出細胞外,在堿性環境下釋放出ADC,重新進入體循環(研究表明,ADC與Fc受體的親和力提高,可增加ADC的半衰期)。隨后,核內體與溶酶體發生融合,未被排出細胞外的ADC在溶酶體的降解下,釋放細胞毒分子到腫瘤細胞質中。細胞毒分子與腫瘤細胞中的DNA、微管蛋白等結合,影響其復制或有絲分裂,最終導致腫瘤細胞凋亡。

3、ADC研發

除具有腫瘤靶向性的成分是單抗外,ADC在受體的選擇、細胞毒分子的選擇、連接基的選擇等方面的要求與SMDC基本一致。

三、發展趨勢

定向偶聯技術

目前,走在開發最前列的ADC藥物均使用傳統的偶鏈技術,最大的缺點就是得到的產品是一種每個抗體載有不同藥物分子數的混合物,無法實現特定位置偶聯藥物,更重要的是臨床評價難以得到均一的藥代動力學數據。使用定向偶聯技術可以使每個抗體上攜帶相同數目的藥物分子數,得到具有藥代動力學均一性的ADC藥物,有利于藥效學和藥代動力學的研究和評估,并且在臨床中能夠得到更加穩定有效的效果。

多價偶聯ADC藥物

抗體藥物以及疫苗的發展過程都是從單價藥物向多價藥物進行發展的。ADC也應該會走這個發展歷程,即在同一個抗體鏈接幾種相互協同的小分子來提高藥物的藥效。這就需要更完善的偶鏈技術,需要對兩種甚至更多種技術進行整合使用。但在目前的技術中,過度追求在特定位點偶聯特定分子數,卻忽略了偶聯的多樣性。

使用傳統技術進行多價偶聯,需要在一個抗體上同時偶聯多種藥物,會造成混合型產品,無法保證每個抗體上同時攜帶不同的藥物。這個難題可以通過Site-specific技術來解決,在進行Site-specific修飾時,可以設計多種不同的偶聯基團,這樣就可以使用一種基團來針對帶有對應基團的連接基進行藥物偶聯。最終通過連接基多樣性改造進行多種藥物的鏈接,實現多價偶聯ADC藥物。

單抗及其偶聯物均為大分子物質,龐大的藥物分子難以透過毛細管內皮層和穿過腫瘤細胞外間隙到達實體瘤的深部。而使用抗體片段,如Fab、Fab′制備分子量較小的偶聯物,可能提高對細胞外間隙的穿透性,增加到達深部腫瘤細胞的藥物量。小型化或適度的小型化ADC以及小分子腫瘤靶向配體SMDC將是研發偶聯藥物的重要途徑。

四、展望

由于靶點清楚、技術成熟、選擇性好等優點,預計偶聯藥物的研發在未來幾年里將繼續是抗腫瘤領域的熱點。但這個領域的技術要求高、知識產權的空間比較窄。雖然偶聯藥物研發的原理很明確,但技術和經驗很重要,尤其是連接基的設計更像是一門藝術。

盡管已經有幾十年的研發歷史,但偶聯藥物依然有巨大的改良空間。實際上,多個研究結果說明ADC化合物輸送效應分子到達目標細胞的比例遠小于1%,樂觀的估計也只有1.5%。但即使如此,給藥的靶向性仍然遠遠高于傳統的給藥模式,不良反應的發生率也明顯低于傳統藥物。反過來說,這些不足也給我們設計新一代偶聯藥物留下了更多空間。因為臨床已經證明,目前的ADC藥物能為患者帶來史無前例的療效,那么新一代的ADC藥物將可能會更好。

如何進入偶聯藥物領域,可以從以下幾個方面考慮,例如,對于那些在單克隆抗體領域擁有自主知識產權的企業,收購成熟效應分子和接頭可以一躍進入ADC研究的前列;擁有獨特的效應分子也是進入ADC研究領域的另一個理想切入點。當然,別具一格的新型接頭將獲得更大的空間,比如Mersana Therapeutics設計一種稱之為Fleximer的新型接頭概念,該水溶性接頭采用生物可降解的多價多糖衍生物,致使每個抗體的接點可以連接數十個藥物分子。而且因為多糖水溶性好,避免了抗體的自身沉聚和其他因連接太多藥物而引起的藥物動力學缺陷,從而解決因效應分子的數目或活性不夠造成的困惑。當然,Fleximer接頭的臨床表現還有待進一步考證。

與新型接頭的開發一樣,其他任何一項能有效改良偶聯藥物特征的技術都是進入這個領域的切入點。比如效應分子和抗體的連接位置和偶聯方式對ADC的穩定性也非常關鍵。在特定位置引入特定氨基酸殘基用于偶聯也是另一個切入點。除了提高抗體的穩定性以外,對ADC的均一性和批量生產也有關鍵作用。最后,成功的偶聯藥物設計不僅要優化每個偶聯藥物的組件,把每個部分連接起來的方式和細節也同樣重要,其中包括銜接接頭和具有腫瘤靶向性的成分或者與效應分子之間的隔離區域[2]。

 

文獻資料

[1]郭立紅等,抗體偶聯藥物和小分子偶聯藥物的研究進展,中國醫藥工業雜志,2019,50(8):842~851

[2]朱貴東等,設計新一代抗體藥物偶聯物,藥學學報,2013,48(7):1053?1070


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