科普|從抗體藥物偶聯物(ADC)的作用機制,走進Polatuzumab的研發故事

1913年，德國科學家Paul Ehrlich提出了「Magic bullets「（神奇的子彈）設想，該設想的核心理念就是「能否找到一種分子可以特異性的針對致病細胞或機體」。這一理念在當時遠遠超前於技術，直到1975年，分子生物學家Georges J.F. Köhler和César Milstein在自然雜交技術的基礎上，創建雜交瘤技術，並首次製備出單克隆抗體，才將上述設想往前推進了一大步。

自此，單克隆抗體藥物蓬勃發展，期間誕生了諸如利妥昔單抗、曲妥珠單抗等重磅炸彈級藥物，並在臨床得到廣泛的應用。

但是很多裸抗藥物的臨床療效仍有一定的局限性。因此從藥物設計的角度出發，另一撥以西雅圖遺傳學公司為代表的研發人員嘗試將小分子細胞毒藥物與抗體藥物結合，形成抗體藥物偶聯物（antibody drug conjugates, ADC），既能保證靶向性，也能改善細胞毒藥物的治療窗。至此，這種新型抗癌藥物開始進入人們的視野並逐漸成為發展熱點。

ADC藥物，不僅是簡單的偶聯

ADC藥物看起來很簡單，單克隆抗體與強細胞毒性的化療藥物通過連接子結合而成。理想狀態下，ADC藥物進入體內後，抗體部分與表達腫瘤抗原的靶細胞特異性結合，ADC藥物被腫瘤細胞內吞後，進入溶酶體進行降解，小分子細胞毒藥物在胞內以高效活性形式被足量釋放，從而完成對腫瘤細胞的殺傷。理想是豐滿的，但現實卻是骨感的。一個成功的ADC藥物需要完成諸多步驟的篩選。

圖2：ADC藥物的結構和作用機制示意圖

圖片來源：Protein Cell. 2018 Jan;9(1):33-46

1、靶點/抗原的選擇和抗體的選擇

靶點的選擇是設計ADC藥物的起點，確定了ADC藥物將針對哪些腫瘤適應證，同時潛在影響所偶聯的細胞毒藥物的選擇。靶點選擇的基本依據是在腫瘤細胞中高表達而在正常細胞中低表達或不表達，這一條標準足夠嚴格，以致於根據此標準根本找不到什麼好的靶點。因此，在選擇靶點時，還需要綜合其他因素，包括表達該抗原的細胞類型、細胞所處的周期狀態（如分裂期或靜止期）、靶標的表達水平、以及靶點可及性等。

關於靶點的可及性，實體瘤相對於血液腫瘤而言，具有更高的阻礙性。實體瘤的微環境等因素導致藥物難以滲透，就這一層面而言，血液腫瘤的可及性更好，這也是為什麼ADC藥物會先在血液腫瘤領域取得突破的關鍵因素所在[美國食品藥品監督管理局（FDA）在2011年批准Brentuximab Vedotin（商品名：Adcetris）治療霍奇金淋巴瘤和間變性大細胞淋巴瘤]。

受益於過去幾十年間的抗體改造技術，人源化和全人源抗體已成為抗體藥物的主流，有效降低了免疫原性。在ADC藥物的設計中，抗體的篩選需要考慮以下幾個因素：特異性的結合、抗原抗體複合物介導ADC藥物的內吞效率以及內吞後細胞內的準確定位（如溶酶體）等。此外，對於抗體的修飾，如對於抗體恆定區的糖基化修飾或者對於連接位點的修飾均有助於改善藥物的特質和療效。

2、細胞毒藥物的選擇

目前僅有少數幾種細胞毒藥物及其衍生物用於ADC藥物的設計中，主要分為以下兩類：微管抑制劑/穩定性破壞劑，如奧瑞他汀衍生物（monomethyl auristatin, MMAE/MMAF）、美登素類衍生物（DM1/DM4），以及作用於DNA凹槽/破壞雙螺旋結構的卡齊黴素及其衍生物。

這幾類細胞毒性小分子藥物對於增殖的腫瘤細胞具有高效的殺傷作用。MMAE/MMAF對於腫瘤細胞的IC50約為10-7-10-10mol/L；DM1/DM4的IC50約為10-10-10-12mol/L；卡齊黴素的IC50約為10-10mol/L。

3、連接子的選擇

連接子在ADC藥物未達到腫瘤細胞之前需足夠穩定，否則會產生非預期的毒性。目前在臨床應用中的ADC藥物所含的連接子主要分為兩大類：可裂解的和不可裂解的。

可裂解的連接子主要包括化學不穩定連接子，如酸不穩定性連接子（腙類，可在溶酶體等酸性環境有效裂解）和二硫化物的連接子（可在還原性的胞內環境被穀胱甘肽選擇性裂解），以及酶催化裂解連接子（肽類連接子，可被蛋白酶裂解）。不可裂解的連接子主要為硫醚連接子（R-S-R）。

可裂解的連接子在ADC藥物被裂解後釋放出來的細胞毒藥物可以穿透細胞膜並殺死周圍的腫瘤細胞，被稱為旁觀者效應（bystander effect）；與此相反，對於不可降解的連接子，抗體部分即使被蛋白酶降解，仍有胺基酸殘基與連接子和細胞毒藥物相連，這種帶電荷的代謝產物無法有效的穿過細胞膜，因此通常不具備旁觀者效應。

一個重要的概念：藥物抗體比

每個抗體上連接的細胞毒藥物的個數即為藥物抗體比（DAR，drug-to-antibody ratio）。從下圖中可以看出，當DAR越大時，ADC藥物的藥物代謝速率增加，半衰期降低，全身毒性也會隨之增加。理想狀態下，DAR為4時，藥物的療效最高。因此在實際生產中，通過質量控制、純化工藝將DAR小於2或DAR大於4的藥物去除，以保證藥物的均一性。如Thiomab技術，最早由Genentech公司報導，在特定位點插入半胱氨酸殘基，隨後與細胞毒藥物進行位點專一的偶聯，最終成品較為均一，DAR介於2-4的ADC藥物佔比較高。

圖3：ADC藥物受DAR影響藥代動力學示意圖

圖片來源：Pharmaceuticals (Basel). 2018 Apr 9;11(2)

圖4：不同藥物偶聯方式導致ADC藥物成品均一性存在差異

圖片來源：Process Development and Manufacturing of Antibody-Drug Conjugates (chapter 40)

實例：ADC藥物

Polivy（polatuzumab vedotin）的誕生

2002年4月，兩個生物技術領域的業界翹楚西雅圖遺傳學公司（Seattle Genetics）和基因泰克就ADC藥物的研發達成了一項多年的合作協議。在這份協議中，西雅圖遺傳學公司提供技術，而基因泰克負責研發、生產和商業化，同時基於任何產出成果的淨收入支付授權費。在之後幾年，兩家公司先後幾次擴大了合作協議，基因泰克通過支付技術訪問費、購買後者的普通股票等方式獲得特定靶點獨家許可以及其他靶點的ADC技術使用權限。

對於血液腫瘤而言，利妥昔單抗的成功為淋巴瘤患者的治療帶來了質的飛躍，同時提示靶向B細胞表面抗原是非常有效的治療策略。後利妥昔單抗時代，是否還能開發出更有效的藥物來治療復發/難治（R/R）的淋巴瘤患者？研究人員再次將目光聚焦到B細胞表面的靶點，包括CD19、CD22、CD79、CD180等。

早期的體外研究結果顯示，對於製備ADC藥物而言，靶向CD22和CD79表現出了更優的潛力。CD79是B細胞受體（BCR）的組成部分，在信號轉導過程中起著非常關鍵的作用；而CD22作為BCR的共受體，可以與BCR交聯，抑制信號傳導。與其他B細胞表面抗原不同，CD22和CD79在與抗體結合後，可以迅速內吞；此外與CD20一樣，CD22和CD79均主要在成熟B細胞中表達，這就意味著即使正常B細胞被耗竭掉，也能夠通過造血幹細胞和前體B細胞補充獲得。通過數年的潛心研究，靶向CD22的pinatuzumab vedotin和靶向CD79b的polatuzumab vedotin應運而生。

早期開展的ROMULUS研究在6個國家的39個研究中心進行，這項II期臨床研究比較了R-pina和R-pola治療R/R瀰漫性大B細胞淋巴瘤（DLBCL）/濾泡性淋巴瘤（FL）的療效。研究結果顯示，R-pola（利妥昔單抗+polatuzumab vedotin）和R-pina（利妥昔單抗+pinatuzumab vedotin）均表現出了較好的療效和安全性，但R-pola組的緩解持續時間（DoR）要長於R-pina組，前者的總體獲益風險更好，這可能也是polatuzumab vedotin被選擇進入後續開發的部分原因所在。

圖5：polatuzumab結構示意圖

圖片來源https://www.adcreview.com/polatuzumab-vedotin-drug-description/

Polatuzumab vedotin的抗體部分通過mc-vc-PAB（馬來醯亞胺基己醯基-纈氨酸-瓜氨酸-對氨基苯甲醯氧基羧基）連接子與MMAE相連（vcMMAE），可以特異性的結合B細胞表面的CD79b抗原，通過內化和酶切(上圖箭頭處為酶切位點)釋放MMAE，後者通過結合微管蛋白tubulin，抑制其聚合，導致細胞周期G2/M期停滯和腫瘤細胞的凋亡。

Polatuzumab的分子量大小在150KDa，平均藥物抗體比（drug-to-antibody ration）達到較為理想的3.5，為其良好的療效奠定了理論基礎。

圖6：polatuzumab研發進程中的主要裡程碑事件

圖片來源：Drugs. 2019 Sep;79(13):1467-1475.

2019年polatuzumab先後獲得FDA和EMA的批准

2019年6月，FDA批准Polatuzumab聯合苯達莫司汀和利妥昔單抗(Pola-BR）治療既往已接受過至少兩種方案的R/R DLBCL成人患者。該獲批基於一項1b/2期臨床試驗數據（GO29365），該研究結果顯示Pola-BR組完全緩解率可達BR組的2倍以上 (40% vs.18%，p=0.026)，Pola-BR方案顯著延長DoR (10.3 m vs. 4.1 m，HR=0.44)、無進展生存（PFS）(7.6 m vs. 2.0 m，HR=0.34)和總生存（OS） (中位OS：12.4 m vs. 4.7 m，HR=0.42)。

2019年11月，歐洲藥品管理局（EMA）人用醫藥產品委員會發布積極審查意見，批准Polatuzumab聯合BR方案用於不適合造血幹細胞移植的R/R DLBCL患者的治療。

在過去十年的時間裡，多個ADC藥物相繼獲批，在血液腫瘤領域和乳腺癌領域（Kadcyla，T-DM1）均表現出較好的療效和安全性，但仍面臨著許多挑戰和未知，如潛在靶點的選擇、改善脫靶效應所帶來的潛在毒性、更好的控制DAR以降低ADC藥物的異質性、開發其他作用機制的細胞毒藥物等。科學家一直在研發的路上，承襲Paul Ehrlich的設想，希望在與癌症抗爭的過程中，能夠發現更多的「神奇的子彈」。

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