2019年3月20日，Nature發文稱，基於蛋白水解靶向嵌合體（Proteolysis-TargetingChimeras，PROTACs）技術的蛋白降解劑可能將成為下一個重磅藥物。
2年後，加州理工學院的Raymond Deshaies博士與耶魯大學的Craig Crews教授在PNAS雜誌上[1]發表了類似的技術：利用基於肽的Protac-1誘導了靶蛋白2型蛋氨酸氨肽酶（MetAP-2）的降解。不過此時，Protac-1離成為一款藥還有很遠的路要走。
一代PROTACs在人類細胞中活性較低，可能是因為這些基於大而笨重的肽起連接作用的化合物難以進入細胞。之後，Crews教授及其同事一直改進這一技術。到2008年，他們已經放棄了基於肽的PROTACs技術，並設計出了基於E3泛素連接酶MDM2、可用於降解雄激素受體(AR)的小分子蛋白降解劑[2]。2012年，Crews教授等又報導了[3]結合泛素連接酶VHL（von Hippel–Lindaudisease tumour suppressor）的小分子PROTACs。這時，研究人員開始相信，PROTACs技術可能能夠成藥。
2015年5月和6月是小分子PROTACs的爆發期。Crews教授和其他團隊分別發表了5篇描述小分子PROTACs具有有效藥樣活性的論文[4-8]。這些蛋白降解劑都能在培養皿細胞以及小鼠人類腫瘤中發揮作用。舉例來說，Crews教授等開發出一種結合VHL的PROTACs，使用該技術可使多種蛋白的水平降低超過90%[4]；而Georg E. Winter等在1篇Science論文中利用招募cereblon（CRBN）的PROTACs技術靶向了致癌蛋白BRD4，並延緩了小鼠白血病進展[5]
突破：首個臨床試驗即將開展
像啞鈴一樣的PROTACs技術（圖片來源：David Parkins）
如上圖所示，PROTACs技術看起來像啞鈴一樣。這一雙功能分子通過一個連接器（linker）連接興趣蛋白的配體以及E3泛素連接酶的招募配體。也就是說，PROTACs技術的一端與靶蛋白結合，另一端與E3泛素連接酶結合。E3泛素連接酶通過將一種叫做泛素的小蛋白貼在靶蛋白上將其標記為缺陷或受損蛋白。之後，細胞的蛋白粉碎機（即，蛋白酶體）會處理掉被標記的靶蛋白（如下圖）。
為了將基於PROTACs技術的蛋白降解劑推向臨床，2013年，Crews教授成立了Arvinas。經過6年的研發，公司將在今年年中啟動候選藥物ARV-110治療前列腺癌的I期臨床試驗。試驗將納入28-36名患有轉移性前列腺癌的男性，持續約9個月。
ARV-110是全球首個進入臨床試驗的蛋白降解劑，靶蛋白是AR。Crews教授等希望通過降解AR，PROTACs技術能夠治療那些無法獲益於現有藥物或對這些藥物耐藥的患者。
這一試驗至關重要，因為人們對蛋白降解劑能否在人類身上發揮作用存在相當大的懷疑。這與PROTACs的大小很有關係。因為，一個好的小分子藥物的大小通常是小於500道爾頓，但目前PROTACs的大小超過1000道爾頓。不過，大量研究顯示，這種大小的分子也能夠進入細胞。Crews教授懷疑，這是因為細胞可能將PROTACs識別成了2個小分子，而不是1個單分子。此外，來自多家公司的內部分析表明，蛋白降解劑能夠很好地溶解，也能進入細胞，並且可以口服，在某些情況下甚至可以跨越血腦屏障。
默沙東公司負責蛋白降解劑開發的Jason Imbriglio表示，業內所有人都在屏息以待這一臨床試驗的結果。因為，它可能會真正改變人們對PROTACs技術能否成藥的看法。大家將密切關注第一梯隊蛋白降解劑在人體中的吸收、分布、代謝和排洩情況以及其在降低靶蛋白水平方面的效力如何。
近幾年，包括Arvinas在內的很多初創生物技術公司（如C4 Therapeutics、Kymera Therapeutics）致力於PROTACs技術的研發。諾華、安進、輝瑞、GSK、默沙東、羅氏、Biogen等多家製藥巨頭也在該領域進行了布局。
除Arvinas外，包括諾華在內的其它公司也有一些同類分子已經接近臨床試驗，如Kymera公司靶向IRAK4的蛋白降解劑預計在明年上半年開展臨床試驗。
優勢：靶向不可成藥的靶點
蛋白降解劑（多色）結合了1個靶蛋白（綠色）和1個E3泛素連接酶（藍色），驅動基於蛋白酶體（橙色）的靶蛋白泛素化(紫色)和降解。（圖片來源：Arvinas）
PROTACs技術最大的優勢之一是能夠使靶點從「無成藥性」（undruggable）變成「有成藥性」。大多數小分子藥物或單抗需要結合酶或受體的活性位點來發揮作用，然而，據估計，人類細胞中80%的蛋白缺乏這樣的位點。而PROTACs可以通過任何角落、縫隙抓住靶蛋白。
抑制劑和降解劑調控蛋白功能的機制大不相同。此外，與抑制劑相比，降解劑的劑量可以更低，從而降低了副作用。（圖片來源：Drug Discovery Today：Technologies）
考慮到該領域的競爭性，一些公司對他們正在研究的靶點守口如瓶，尤其是對以前無成藥性的靶蛋白。通過PROTACs技術靶向這些蛋白可能會在疾病治療中帶來前所未有的突破。
用途：解決耐藥性問題
不過，Arvinas公司的兩個主要候選藥物分別作用於AR和雌激素受體(ER)。這兩個靶點均已經在臨床上獲得驗證，已有靶向AR和ER的藥物獲批上市。這種開發策略雖然保守，但也具有重要的臨床意義。以AR靶點為例，大多數接受AR拮抗劑恩雜魯胺治療的患者會因為癌細胞產生AR突變等情況產生耐藥性。而靶向AR的蛋白降解劑能夠有效催化多種蛋白結構的完全降解，從而延緩耐藥性。
基於PROTACs技術的蛋白降解劑抵抗耐藥性的這一優勢在針對其它靶點的研究中也得到了驗證。2018年6月6日，我國科學家發表在Cell Research上[9]的一篇論文證實：體外實驗顯示，BTK蛋白降解劑能夠靶向降解C481S突變的BTK蛋白，克服B細胞惡性腫瘤對臨床一線藥物依魯替尼（全球首個獲批上市的BTK抑制劑）的耐藥性。清華大學藥學院饒燏教授是該研究的共同通訊作者。今年3月11日，饒燏教授等又在Nature子刊《白血病》[10]雜誌上發表了體內實驗的結果，研究表明，利用PROTACs技術降解多種突變型BTK蛋白能克服對依魯替尼耐藥的非霍奇金淋巴瘤（B細胞惡性腫瘤的一種）。
BTK降解劑設計原理圖（圖片來源：Leukemia）
據了解，饒燏教授在2015年正式開展PROTACs技術相關的研究。之所以會選擇靶向BTK，一方面是因為，BTK是一個非常重要的靶點，另一方面是因為，2014年NEJM雜誌[10]曾報導了慢性淋巴細胞白血病患者對依魯替尼耐藥的現象。因此，團隊希望藉助PROTACs技術解決明星抗癌藥真實臨床耐藥的問題。接下來，他們將進一步深入開展BTK降解劑的相關基礎研究工作。
領域：不局限於治療癌症
儘管目前，大多數蛋白降解劑聚焦在癌症領域，但這類新型藥物還有很多潛在的可用之地，如神經退行性疾病。
Arvinas公司已經在靶向Tau（與阿爾茨海默症相關的蛋白）的降解劑研發方面取得進展，並樂觀地認為，能夠將這類藥物推向臨床試驗（官網數據顯示，注射靶向Tau的PROTACs技術到小鼠海馬體使該蛋白的水平降低了50%）。他們也在進行與帕金森病有關的α-突觸核蛋白降解劑的開發。此外，今年1月，C4 Therapeutics 和Biogen宣布合作開發治療阿爾茨海默症和帕金森病的蛋白降解劑。
升級：4大方向提升成藥性
C4 Therapeutics CEO Andrew Phillips表示，2019至2021年將是PROTACs技術的關鍵年。對於在發展的關鍵時期，PROTACs技術可以從哪些方面進行升級，Crews教授在今年2月發表在DrugDiscovery Today：Technologies上的1篇綜述[12]討論了這一問題。他指出了4大方向：
1）優化PROTACs的設計、合成與評價：為了加速和簡化PROTACs的發現，必須揭示其發現原理，建立穩定的評價平臺。
2) 擴大可用E3泛素連接酶的範圍：E3泛素連接酶的選擇可以決定這類藥物開發的成敗。人類基因組中預計有超過600個E3泛素連接酶，但目前被驗證或用於PROTACs開發的只有幾個（主要是VHL、CRBN、MDM2和cIAP1，它們都具有與其結合的小分子配體）。因此，探索更多可用的E3泛素連接酶是未來工作的重點之一。
PROTACs技術作用的靶點以及裡程碑進展時間線（圖片來源：Drug Discovery Today：Technologies）
3) 選擇和驗證靶點：靶點選擇是藥物研發中最重要的決定之一。儘管可以靶向無成藥性的蛋白，但並不是所有蛋白質都能被PROTACs技術降解，如沒有或暫未發生配體的蛋白質。因此，哪些是可配體的靶點(ligandable targets)是急需弄清一個問題。此外，對興趣靶點的早期驗證也非常重要。
4) 靶向無成藥性的蛋白：迄今為止，大部分PROTACs技術靶向的蛋白是已經被驗證可以成藥的靶點，而正如前文所說，PROTACs技術很有潛力挑戰傳統上認為不可成藥的靶蛋白，靶向這些蛋白更有顛覆某些疾病治療的可能性。
前景：是否會爆發形勢樂觀
雖然目前暫未有臨床數據發布，但該領域有理由保持樂觀。因為，2014年，有科學家發現，世界上最暢銷的藥物之一來那度胺（用於治療骨髓瘤）與蛋白降解劑的作用機理類似，可降解原被認為不可捉摸的兩種蛋白質(IKZF1和IKZF3)[13][14]。
事實上，在2015年小分子PROTACs引發熱潮後，Deshaies博士曾發表過一個觀點，他認為，PROTACs有潛力成為一種主要的新型藥物，且可能會超越有史以來最熱門的兩個藥物開發領域——蛋白激酶抑制劑和單克隆抗體。
對於這一觀點，饒燏教授認為，每個藥物類型都有自己的優勢，PROTACs的價值更多地應該體現在解決蛋白激酶抑制劑和單克隆抗體不擅長或不能解決的問題，而不是在這兩類藥物已經做得很好的地方花大力氣去超越。PROTACs技術能夠靶向傳統小分子和抗體無法作用的蛋白這一特性使這類蛋白降解劑具有在疾病治療空白區域體現價值的潛能。
對於PROTACs技術未來是否會爆發，饒燏教授持樂觀態度，但他同時也指出，新藥研發「坑」太多，失敗率太高。作為新技術，PROTACs未來還有很多路要走。除了技術升級，為了走向臨床，科學界和工業界需要克服PK、PD、生物利用度、給藥方式等各方面的成藥性問題。任何一類藥物的研發都需要厚積薄發。只有更紮實的研究、更廣泛的投入才能幫助PROTACs真正成藥。不過，由於蛋白降解劑獨立於抗體和傳統的小分子藥物，因此，未來成長空間巨大、前景廣闊毋庸置疑。
究竟PROTACs技術能否成為藥物發現領域最大的遊戲規則改變者，我們拭目以待。
相關論文：
[1]Kathleen M. Sakamoto et al. Protacs:Chimeric molecules that target proteins to the Skp1–Cullin–F box complex for ubiquitination and degradation. PNAS(2001).
[2]Ashley R. Schneekloth et al. Targeted intracellular protein degradation induced by a small molecule: En route to chemical proteomics. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters(2008).
[3]Dennis L. Buckley et al. Small‐Molecule Inhibitors of the Interaction between the E3 Ligase VHL and HIF1α. Angewandte Chemie International Edition(2012).
[4]Daniel P Bondeson et al. Catalytic in vivo protein knockdown by small-molecule PROTACs. Nature Chemical Biology (2015).
[5]Georg E. Winter et al. Phthalimide conjugation as a strategy for in vivo target protein degradation.Science(2015).
[6]Michael Zengerle et al. Selective Small Molecule Induced Degradation of the BET Bromodomain Protein BRD4. ACS Chemical Biology(2015).
[7]Dennis L. Buckley et al. HaloPROTACS:Use of Small Molecule PROTACs to Induce Degradation of HaloTag Fusion Proteins. ACS Chemical Biology(2015).
[8]Jing Lu et al. Hijacking the E3 Ubiquitin Ligase Cereblon to Efficiently Target BRD4. Chemical Biology(2015).
[9]Yonghui Sun et al. PROTAC-induced BTK degradation as a novel therapy for mutated BTK C481S induced ibrutinib-resistant B-cell malignancies. Cell Research(2018).
[10]Yonghui Sun et al. Degradation of Bruton’s tyrosine kinase mutants by PROTACs forpotential treatment of ibrutinib-resistant non-Hodgkin lymphomas. Leukemia (2019).
[11]Richard R. Furman et al. Ibrutinib resistance in chronic lymphocytic leukemia. NEJM(2014).
[12]Mariell Pettersson et al. PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) — Past, present andfuture. Drug Discovery Today：Technologies(2019).
[13]Jan Krönke et al. Lenalidomide Causes Selective Degradation of IKZF1 and IKZF3 in Multiple Myeloma Cells.Science(2014).
[14]Gang Lu et al. The Myeloma Drug Lenalidomide Promotes the Cereblon-Dependent Destruction of Ikaros Proteins.Science(2014).
參考資料：
1#First targeted protein degrader hits the clinic
2#Protein-slaying drugs could be the next blockbuster therapies
3#清華大學藥學院饒燏課題組在Cell Research發表關於利用新型蛋白質靶向降解技術克服Ibrutinib耐藥的B細胞惡性腫瘤
4#饒燏課題組在自然子刊《Leukemia》發表利用PROTAC技術降解多種突變型BTK蛋白克服臨床藥物依魯替尼耐藥的非霍奇金淋巴瘤
5#新藥開發系列（十六）PROTAC前世今生和未來