应雨妍 应雨妍

科技点亮生活

医学的世界里,理论上的效果越美好,现实里实现的难度往往就越大,至少这个定律在抗癌战场上适用。比如说,抗体偶联药物(ADC)这颗“魔法子弹”,想要实现“比靶向更强力,比化疗更精准”,但它要超越的,可不是一般角色。

就拿单克隆抗体类靶向药说,这可是实实在在的巨人,赫赛汀、美罗华和安维汀们哪个不传奇呢?但现在,却已经有60多种进入临床阶段,上百种临床前的在研ADC。这只说明了一点:抗体偶联药物,有希望做到抗体加药物做不到的事。

想知道哪些巨头在ADC领域竞争?抱歉,数不过来了…… (图片来源:基因泰克)
想知道哪些巨头在ADC领域竞争?抱歉,数不过来了……
(图片来源:基因泰克)

有一些科学家把抗体类药物的研发,比作是爬树摘苹果[1],现在大家还像是在树底下,而ADC却在苹果树顶。想摘下这个苹果,就得攻克一个个复杂艰深,甚至是前所未见的难关,为什么?ADC的独特结构和设计,决定了这一切。

虽说抗体偶联药物的原理,完全可以简单一句话概括:药物通过化学链接,偶联到靶向癌细胞的单克隆抗体上,但就这一句话里,抗体、连接子、药物这三部分,每一个展开细说都有许多的奥秘。外行看热闹,各位可得看门道。

要载体,还是要抗体?

从原理上说,抗体偶联药物使用的抗体,结合到癌细胞表面的靶点时,要能够诱导胞吞作用,让癌细胞吞下自取灭亡的化疗“毒酒”;抗体本身必须得有偶联化疗药物,搭载弹头的能力。但除了这两条,似乎也找不出什么通用的原则了。

说好的复杂艰深呢?不是老师要求不严,实在是抗体偶联药物的研制千姿百态,几乎每种药物都有自己的特殊性。想找共同点,绝对是难为奇点糕……

举个例子吧,虽然追求“比靶向更强力”,但现在获批的5种抗体偶联药物里,只有恩美曲妥珠单抗,也就是T-DM1使用的曲妥珠单抗,能够单独杀伤癌细胞。另外4种药物用的抗体,基本是作为药物的载体,单独杀伤效果非常有限[2]。

像曲妥珠单抗这样,不用多改动,就可以用于ADC开发的成功平台,在单抗类药物中并不多见。更难得的是,挂载药物后的T-DM1,仍然保留了单抗原有的杀伤力,这使它成为了ADC开发的明星抗体,有至少10种基于曲妥珠单抗的ADC进入了临床试验阶段[3]。

猜猜,一款在研ADC的转让价格被炒到多少了? (图片来源:Clinical Cancer Research)
猜猜,一款在研ADC的转让价格被炒到多少了?
(图片来源:Clinical Cancer Research)

而靶向药物往往要求的抗原高表达,到了抗体偶联药物的领域也不是绝对的了,T-DM1之外的另外4种ADC治疗血液系统癌症时,癌细胞表面抗原的表达水平,就不一定与疗效有正相关性,这和单纯的单抗靶向药很不一样[4]。

就连决定抗体与抗原结合能力的亲和力指标,也不是越高越好。已经有研究显示,靶向同一个位点的抗体中,亲和力弱的抗体,虽然被癌细胞的内吞速度慢,但穿透实体肿瘤却更彻底[5]。穿透和内吞之间,显然要找到一个最优的平衡点。

抗体分子大小、是否完全人源化等问题,同样对ADC的疗效影响复杂,所以选择ADC使用的合适抗体,现在还有些雾里看花,只能根据“高度识别、保证胞吞”两个原则,综合各种因素考虑,很难照着理想型去研发。

新一代抗体偶联药物,在抗体上又玩出了不少新花样,比如多一个识别抗原位点,从而结合更准确的双特异性抗体(Biparatopic mAb)[6]。不过它们的表现,还需要时间来验证。

“亲密关系”如何建立?

说完抗体,再说说连接子、连接体、偶联臂……抱歉,Linker这个词的中文翻译五花八门,但反正说的都是一种东西——把细胞毒性药物和抗体连接在一起的化学结构。别小看这个结构,抗体偶联药物的方方面面,都要受到它的影响

小小的连接子可不好标出来……绿的那块,能看到吗? (图片来源:AAPS Advances in the Pharmaceutical Sciences Series)
小小的连接子可不好标出来……绿的那块,能看到吗?
(图片来源:AAPS Advances in the Pharmaceutical Sciences Series)

抗体有两大原则,连接子也可以总结出两大原则:偶联稳定,释放迅速。前半句指的是偶联需要经受住血液循环,在到达目标前不提早放出药物;后半句,当然就是药物被内吞入癌细胞后,偶联能被快速解体,释放出癌细胞的“催命符”。

不过连接子里的门道,可远远不止这两大原则,要说清楚,得先介绍点基本原理才行。目前抗体偶联药物使用的连接子,主要是利用抗体上原有的半胱氨酸或赖氨酸残基,与药物间偶联形成化学键

比如之前提到的T-DM1,连接选用的是赖氨酸残基,而同属二代ADC的本妥昔单抗(Brentuximab Vedotin),则选择了半胱氨酸残基。这样的设计胜在一个简单,因为抗体上的可用残基数量很多,制备ADC时,不需要特意去改动结构[7]。

对了,这两种药物的连接子还有一个区别:T-DM1使用的是不可断裂的连接子,药物被癌细胞内吞后,抗体部分经过溶酶体降解,才能释放出DM-1;本妥昔单抗使用的则是可断裂连接子,它被蛋白水解后,就能释放出搭载的药物。

虽然类型不同,但目的上还是殊途同归,这两种二代ADC的连接子,都达到了稳定性好、释放效率高的要求。但连接子决定的,还不只是这两个指标。第一代ADC吉姆单抗/奥佐米星的退市,其实就是倒在了小小的连接子上

补充一句,连接子一般都是被溶酶体降解呦 (图片来源:Cancer Cell)
补充一句,连接子一般都是被溶酶体降解呦
(图片来源:Cancer Cell)

连接子本身结构不稳定,容易在酸性环境下被水解,导致药物提早释放产生严重的副作用是一方面;而抗体与药物的偶联不充分,偶联比例(drug-to-antibody ratio, DAR)不合适,同样是吉姆单抗/奥佐米星连接子的致命缺点。

从理论上说,每个抗体上大约有80-100个可偶联的氨基酸残基,实际上偶联的药物数量,一般不超过8个,但抗体和药物的充分结合,却不那么容易实现。吉姆单抗/奥佐米星当中,就有50%的抗体是没有结合任何药物的裸单抗[7]。

裸单抗太多,显然会使疗效大打折扣,不过一个抗体上搭载的药物少了不行,多了也不行。搭载过多的药物,会影响ADC使用抗体的稳定性,导致药物代谢和安全性上的问题

二代ADC在连接子上最明显的进步,就是改进了偶联充分性和比例问题。T-DM1和本妥昔单抗的裸单抗比例大约只有5%,远比吉姆单抗/奥佐米星要低,DAR值则分别是3.5和4。3.5-4的黄金比例,也给后来的许多在研新药提供了参考。

但二代ADC的连接子也还不完美,比如在抗体上的具体结合位置相对随机,也没有彻底解决裸单抗的问题。通过改造抗体,实现更可控和高效的特定位点偶联(Site-Specific Conjugation),是现在连接子技术最主要的探索方向之一[8]。

 

位点特异性结合,仍然不会太倾向于挂过多的药物到抗体上,三四个就好 (图片来源:Antibody Therapeutics)
位点特异性结合,仍然不会太倾向于挂过多的药物到抗体上,三四个就好
(图片来源:Antibody Therapeutics)

技术日新月异,就会创造更多的可能。比如一家公司基于曲妥珠单抗,设计出了抗体和药物比例高达1:20的新型ADC[9],遗憾的是由于效果不稳,这种“印度摩托车”式的ADC研发被早早终止了。T-DM1们的黄金比例,还是很有道理的。

抗体和药物的“亲密关系”,真是不好经营啊,估计生娃养娃也就这么难了。那么作为ADC家庭里必不可少的伴侣,细胞毒性药物又得满足些什么要求呢?

精挑细选的“核武器”

提到细胞毒性药物时,科研论文很多时候的用词是弹头(Warhead)。这可不是子弹,是搭载导弹的那种弹头,几十万吨TNT当量的那种。药物,才是绝大多数ADC中发挥杀伤功能的主角。

虽然在ADC诞生前,科学家就已经找到了形形色色的各种化疗药,但这些化疗药直接用来开发ADC的结果都不怎么好。首先药物得有连接抗体的合适位点,其次得在体内循环下相对稳定,这算是两大基础要求吧。

但最关键的要求,还是弹头要强力,足够强力,要多强力有多强力,按数字的话,至少得比传统化疗药强力100-1000倍!(此处请脑补对设计师大吼放大的场景)如果说传统化疗药是炸弹,那抗体偶联药物选择的绝对是核弹。

Boom!Boom!Boooooooom! (图片来源:Pixabay)
Boom!Boom!Boooooooom!
(图片来源:Pixabay)

选择强力弹头,是因为抗体偶联药物作用机制的特殊性。虽然搭载到抗体上,让化疗药物的选择性更强,但最终也只有大约1%的药物,能够被癌细胞成功内吞[10],而不被内吞的药物,对癌细胞的杀伤力就很有限了。

所以搭载到抗体上的药物,得做到“少而精”,像科幻小说里的浓缩炸弹一样威力惊人,在癌细胞里面制造大爆炸。传统的化疗药不仅威力本身偏弱,搭载到抗体上甚至还可能降效,这就让弹头的挑选更难了[11]。

目前获批的5种抗体偶联药物,使用的弹头分为三类:卡奇霉素类(Calicheamicins)、奥瑞他汀类(Auristatins)和美登素类(Maytansinoids,而在后续研发的新药中,占比最大的还是后两种。

就拿T-DM1使用的美登素类,也就是曲妥珠单抗(T)后面的DM-1,来更进一步讲讲弹头里面的门道吧。美登素最早是从非洲的一种植物中提取出来的化疗药,但T-DM1的研发,为什么相中了它呢?

从化疗原理上说,美登素是一种微管蛋白活性抑制药,它能使癌细胞在有丝分裂时,不能正常形成纺锤丝,从而使分裂停止,对癌细胞造成杀伤。没错,在乳腺癌治疗中广泛应用的紫杉醇类药物,起效机制就是这么回事。

一些小说里经常会说什么“神秘的非洲毒药”,对吧? (图片来源:Pixabay)
一些小说里经常会说什么“神秘的非洲毒药”,对吧?
(图片来源:Pixabay)

机制相同,不代表美登素也能单独缔造辉煌。虽然在实验室里展示了100倍、1000倍的杀伤力,但缺乏对癌细胞的选择性,让它在早期临床试验中导致了严重的副作用,最终没能实际应用[12]。

但在基因泰克那支开发了曲妥珠单抗的传奇团队看来,拿美登素作为基于曲妥珠单抗的ADC用药,再合适不过了。和紫杉醇一脉相承的原理,更强大的杀伤力,副作用和选择性问题,搭载到抗体上后也会减少。总之一个词,天作之合。

不过T-DM1使用的弹头,其实应该叫“美登素类似物”,因为它经过了人工的结构改造和半合成。这原本是为了解决美登素天然来源有限、缺乏连接抗体的位点和稳定性的三大问题,但科学家们发现,改造还增强了美登素的杀伤力[11]!

搭载到曲妥珠单抗上,则让美登素类似物真正实现了扬长避短,杀伤力得到了充分的发挥,再配合上曲妥珠单抗本身的抗癌效果,这种黄金搭档,不成功都难。临床试验的结果,也验证了科学家们思路的成功。

这一点,在HER2乳腺癌二线治疗的试验中体现最明显。对比HER2靶向药拉帕替尼+化疗,T-DM1不仅在生存期等疗效指标上胜出,治疗导致的严重副作用发生率也下降了16%[13]。抗体偶联>靶向+化疗的理论优势,真正转化到了现实。

不做临床,永远想不到会有什么样的惊喜或者……惊吓? (图片来源:FreeRange)
不做临床,永远想不到会有什么样的惊喜或者……惊吓?
(图片来源:FreeRange)

有很多科学家说,抗体偶联药物是抗癌药物发展最迅速的领域,也是知识更新速度最快的领域。现有ADC们的成功,更像是万里长征第一步。但这些前辈们,靠智慧和心血积累出的“技术壁垒”,也不能被小看。

要实现那些宏大的目标,比如靠ADC改造免疫微环境、杀伤肿瘤间质细胞的广谱抗癌,就得对抗体、连接子、药物弹头继续升级,虽说这每一部分看似都有无限的挖掘空间,但科学探索不是摸黑,也有逻辑和内在规律。

就算是T-DM1这种来自传奇团队的手笔,也是一步一步稳扎稳打,刷完实验室的癌细胞,再去挑战患者身上的大BOSS们,这么按部就班杀出来的。老话说得对,学会飞之前,得先学走。

参考资料:

1.Carter P J, Lazar G A. Next generation antibody drugs: pursuit of the’high-hanging fruit’[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2018, 17(3): 197.

2.Birrer M J, Moore K N, Betella I, et al. Antibody-drug conjugate-based therapeutics: State of the Science[J]. JNCI: Journal of the National Cancer Institute, 2019, 111(6): 538-549.

3.Junttila T T, Li G, Parsons K, et al. Trastuzumab-DM1 (T-DM1) retains all the mechanisms of action of trastuzumab and efficiently inhibits growth of lapatinib insensitive breast cancer[J]. Breast Cancer Research and Treatment, 2011, 128(2): 347-356.

4.Hoffmann R M, Coumbe B G T, Josephs D H, et al. Antibody structure and engineering considerations for the design and function of Antibody Drug Conjugates (ADCs)[J]. Oncoimmunology, 2018, 7(3): e1395127.

5.Rudnick S I, Lou J, Shaller C C, et al. Influence of affinity and antigen internalization on the uptake and penetration of Anti-HER2 antibodies in solid tumors[J]. Cancer Research, 2011, 71(6): 2250-2259.

6.Li J Y, Perry S R, Muniz-Medina V, et al. A biparatopic HER2-targeting antibody-drug conjugate induces tumor regression in primary models refractory to or ineligible for HER2-targeted therapy[J]. Cancer Cell, 2016, 29(1): 117-129.

7.Beck A, Goetsch L, Dumontet C, et al. Strategies and challenges for the next generation of antibody–drug conjugates[J]. Nature Reviews Drug Discovery, 2017, 16(5): 315.

8.Alves N J. Antibody conjugation and formulation[J]. Antibody Therapeutics, 2019, 2(1): 33-39.

9.Yurkovetskiy A V, Yin M, Bodyak N, et al. A polymer-based antibody–vinca drug conjugate platform: Characterization and preclinical efficacy[J]. Cancer Research, 2015, 75(16): 3365-3372.

10.Teicher B A, Chari R V J. Antibody conjugate therapeutics: challenges and potential[J]. Clinical Cancer Research, 2011, 17(20): 6389-6397.

11.Lambert J M, Chari R V J. Ado-trastuzumab Emtansine (T-DM1): An Antibody–Drug Conjugate (ADC) for HER2-Positive Breast Cancer[J]. Journal of Medicinal Chemistry, 2014, 57(16): 6949-6964.

12.Chen H, Lin Z, Arnst K, et al. Tubulin inhibitor-based antibody-drug conjugates for cancer therapy[J]. Molecules, 2017, 22(8): 1281.

13.Verma S, Miles D, Gianni L, et al. Trastuzumab emtansine for HER2-positive advanced breast cancer[J]. New England Journal of Medicine, 2012, 367(19): 1783-1791.

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