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小藥說藥新春第三談:抗體偶聯(lián)藥物

2023-01-28 14:05
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前言

抗體偶聯(lián)藥物(ADC)是由靶向特異性抗原的單克隆抗體與小分子細胞毒性藥物通過連接子鏈接而成,兼具傳統(tǒng)小分子化療的強大殺傷效應及抗體藥物的腫瘤靶向性。ADC由三個主要部分組成:負責選擇性識別癌細胞表面抗原的抗體,負責殺死癌細胞的藥物有效載荷,以及連接抗體和有效載荷的連接子。

ADC對抗原的識別導致ADC通過內吞途徑進入細胞內,通過溶酶體降解后,有效載荷以生物活性形式釋放并發(fā)揮作用,導致癌細胞死亡。細胞內有效載荷的數(shù)量由每個細胞表面抗原的數(shù)量、每個ADC的藥物有效載荷分子的數(shù)量(也稱為藥物抗體比率,DAR)以及抗原返回細胞表面所需的時間決定。有效載荷可能在癌細胞死亡和降解后逃逸,也可能從胞漿中透膜而出。這種釋放的后果可能是有益的(也稱為旁觀者效應),也可能是有害的,導致全身毒性。

第一個ADC(Mylotarg)于2000年獲得批準,自2019年以來,獲準的ADC數(shù)量翻了一番多,2019-2020年共有5個ADC獲得批準,ADC領域持續(xù)火熱。

ADC藥物的基本原理

ADCs藥物的靶向性來自其中抗體部分,毒性大部分來自小分子化藥毒物部分(payload),抗體部分也可以自帶毒性(ADCC與CDC)。抗體部分與毒素部分通過連接子(linker)互相連接。抗體部分與腫瘤細胞表面的靶向抗原結合后,腫瘤細胞會將ADC內吞。之后ADC藥物會在溶酶體中分解,釋放出活性的化藥毒物,破壞DNA或阻止腫瘤細胞分裂,起到殺死細胞的作用。理想化的連接子應該保持穩(wěn)定所以不會導致靶外毒性(off-target toxicity),并且在細胞內高效釋放毒物。

一個理想的ADC藥物需要四個部分的完美結合:抗體(靶點)的選擇:選擇中需要考慮幾個因素。

首先,理想的目標抗原在腫瘤中具有高表達水平,在正常組織中很少或沒有表達,或至少表達限于給定組織類型,以減少ADC靶內毒性及導致可接受的治療指數(shù)。

第二,目標抗原應存在于細胞表面,以便循環(huán)的mAb可進入。

第三,目標抗原應該是內在抗原,使其在結合后,ADC被轉運到細胞中,細胞毒性劑可以發(fā)揮其作用。

連接子的選擇:循環(huán)中藥物過早釋放可導致全身毒性和較低的治療指標。有效的連接子設計必須平衡在循環(huán)中的幾天內的良好穩(wěn)定性以及在遞送到靶細胞時的高效裂解。

對應的幾種策略:目標細胞的細胞質中藥物的有條件釋放(可裂解和不可裂解的連接子);旁觀者效應的增強和限制,是通過是否能夠跨越生物膜的連接子-藥物代謝產物實現(xiàn)的;極性連接子提高溶解度并降低MDR。

連接方式:第二代ADC均為不同藥物負載物質的受控混合物,典型平均DAR為3.5或4。DAR大于4的物種顯示較低的耐受性,更高的血漿清除率和降低的體內功效。目前大多數(shù)ADC具有共同的結構特征,如通過硫醇和烷基的馬來酰亞胺反應形成的硫代琥珀酰亞胺連接。但大多數(shù)ADC長時間流通期間會導致可測量的馬來酰亞胺消除,這些可通過位點特異性偶聯(lián)和替代共軛化學來解決:如工程半胱氨酸、非天然氨基酸工程、酶輔助連接、糖重組和糖結合、氨基末端工程絲氨酸、與Fab核苷酸結合位點連接、天然半胱氨酸再橋接、避免retro-Michael 解體以及高負載ADC。

毒素分子:通過抑制微管蛋白裝配而起作用的auristatin和美登木素生成素是目前ADC最常用的彈頭。其他使用的彈頭基于吡咯并苯并二氮雜(PBD)、二氫吲哚并噻二氮雜、Tubulysins、卡奇霉素、伊立替康衍生物、多卡莫霉素、喜樹堿類類似物、腎上腺素和多柔比星等等。事實上,由于競爭激烈,在早期臨床試驗研究中越來越多的ADC,沒有披露抗原靶和/或彈頭和連接子的化學結構。

ADC的發(fā)展史  

抗體藥物的研發(fā)技術一直在不斷更新?lián)Q代,ADC的研究可以追溯到1980年,但是直到2000年,首個抗體偶聯(lián)藥物才被FDA批準用于治療急性粒細胞白血病,但由于致死性的毒性的產生,于2010年撤市。隨著原有技術的改進,研究人員開發(fā)了新型抗體偶聯(lián)藥物,并于2011年被FDA批準用于治療霍奇金淋巴瘤和系統(tǒng)性間變性大細胞淋巴瘤。2013年抗體偶聯(lián)藥物再次取得突破,Genentech/ImmunoGen聯(lián)合開發(fā)的Ado-trastuzumab emtansine被FDA批準用于HER2陽性乳腺癌,這是首個針對實體瘤的抗體偶聯(lián)藥物。隨著這兩個藥物的研發(fā)成功,ADC藥物再次以火熱的狀態(tài)進入人們的研究視野。

第一代抗體偶聯(lián)藥物—Mylotarg 

像所有新技術發(fā)展的路徑一樣,大多數(shù)的第一代的產品因為有很多缺陷成了炮灰。在批準后一項研究中,Mylotarg與化療相結合并未表現(xiàn)出比單獨化療更高的生存率和更高的致死毒性率,這導致輝瑞公司2010年自愿將此該藥物從市場上撤出。第一代ADC藥物失敗的原因有很多因素,首先就是藥物效力不足,血液中藥物濃度低于治療有效濃度,而靶點抗原低表達又導致藥物遞送量少,細胞內藥物不足以殺死細胞。其次,初代ADC藥物對腫瘤的靶向性不強,定位率低,而當時使用的連接子也不穩(wěn)定,以致于藥物毒性較大。最后,由于早期ADC中單克隆抗體是鼠源而不是人源化抗體,導致免疫反應和人抗鼠抗體(HAMAs)的產生。以上都是第一代藥物失敗的因素,但是研究永無止境,很快第二代ADC藥物進入人們的視野。

Mylotarg(Gemtuzumab ozogamicin)結構式 

第二代抗體偶聯(lián)藥物—Kadcyla

羅氏的Trastuzumab emtansine(Kadcyla)于2013年2月獲得FDA批準,用于治療之前接受過曲妥珠單抗和紫杉類化療失敗的HER2陽性乳腺癌患者。Kadcyla,是一個靶向HER2 抗體藥物偶聯(lián)物,含人源化抗HER2 IgG1曲妥珠單抗(Trastuzumab)和微管抑制劑DM1(美登素maytansine衍生物),兩者通過穩(wěn)定硫醚連接物(MCC)共價連接。第二代ADC藥物的研發(fā)中,mAb技術得到改進,單克隆抗體被仔細選擇,提高了腫瘤細胞靶向性,并減少與健康細胞交叉反應。更重要的是,早期使用當時治療癌癥的小分子藥物作為毒性荷載缺乏臨床研究,后來發(fā)現(xiàn)了更有效的小分子物質。與第一代ADC相比,第二代ADC具有更好的CMC特性。從當時FDA批準的三種二代ADC藥物來看(vedotin、emtansine、ozogamicin),第二代ADC藥物顯示出良好的臨床療效和安全性。

rastuzumab emtansine(Kadcyla)結構式 

然而,由于脫靶毒性、存在未結合抗體以及藥物抗體比(DAR)為8引起的ADC聚集或快速清除等原因,目前大多數(shù)第二代 ADC顯示出較窄的治療窗口。此外,DAR>4的ADC被證明耐受性低、體內療效低但是血漿清除率高。至此,二代ADC藥物也難以滿足患者的需求。優(yōu)化單克隆抗體、連接子和結合毒性有效載荷可以提高第三代ADC的療效,位點特異性偶聯(lián)現(xiàn)在被認為是ADC成功開發(fā)的關鍵。

第三代抗體偶聯(lián)藥物

第三代ADC藥物綜合了一代二代失敗的因素,利用小分子藥物與單克隆抗體的位點特異性結合,產生DARs為2或4的ADC,這種ADC藥物毒性降低,無未結合的單克隆抗體,穩(wěn)定性和藥代動力學大大提高,偶聯(lián)脫落速度更低,藥物活性高,低抗原水平下的細胞活性高。綜上所述,第三代ADC藥物攻克了導致一代二代藥物失敗的因素,讓患者得到更好的治療。

ADC的藥代動力學特征

一般來說,在給藥后,體內涉及四個過程。這些過程是吸收、分布、代謝和清除。

吸收

大多數(shù)抗體通常通過靜脈注射或輸液途徑給予,抗體也可以通過皮下(SC)途徑給予。然而,對于ADC,目前給藥途徑是靜脈注射或輸液。由于對細胞毒性有效載荷的反應和細胞毒性物質的局部沉積,SC給藥可能不適用于ADC。

分布

藥物在體內的分布可以用分布容積來描述。由于其大小和極性,抗體和ADC的分布通常局限于血管和間質間隙。

ADCs的初始分布一般局限于血管,其分布容積一般等于血容量。隨后,ADCs可以分布到間質間隙。此外,ADC分布也會受到靶抗原表達和內吞的影響。

ADC在同一組織中的分布和積累會產生不良的(毒性)藥理學影響,這是由于ADC的攝取后的細胞毒性藥物或代謝物的釋放。

代謝

ADC體內分解/代謝過程包括抗體分解代謝過程和小分子藥物體內代謝。ADCs在到達腫瘤細胞前,在細胞內(non-cleavable linker)或者循環(huán)系統(tǒng)中(cleavable linker)釋放效應分子,未結合的抗體和抗體片段遵循抗體的代謝途徑通過酶解產生氨基酸,被機體重新利用。

ADC裂解或被分解代謝后可能形成的游離的小分子藥物和/或連有氨基酸殘基的小分子藥物和/或linker的小分子藥物代謝物,會進一步經歷肝CYP450酶代謝,還可能發(fā)生潛在的藥物藥物相互作用。

除了ADC本身性質外,抗原的表達、受體/細胞密度,F(xiàn)cRn介導的循環(huán)作用、與Fcγ作用、受體介導的內吞作用、免疫原性等都會影響ADC的分解代謝。

清除

ADC也是通過分解代謝和排泄的方式進行消除。ADC可通過與靶點結合的特異途徑,進入溶酶體后發(fā)生降解,釋放小分子藥物后從體內清除;還可以通過非特異的胞飲作用進行清除,該途徑涉及新生兒受體(FcRn)參與的循環(huán)再利用過程。

ADC、抗體、分子量較大的多肽及氨基酸片段無法通過腎小球濾過排泄,而是以氨基酸的形式重新吸收利用。游離小分子藥物、分子量較小的多肽及氨基酸連接的小分子藥物、分子量較小的抗體片段可通過腎小球濾過進行排泄。同時,小分子藥物及代謝產物也可經酶代謝消除或通過轉運體排泄至糞便中。

ADC的生物分析

ADC有幾種組分,為了表征這些組分的PK特征,需要幾種分析方法,如下所述:

ELISA免疫分析測定結合物和總抗體的動力學曲線;

TFC-MS/MS,對游離藥物/代謝物進行定量;

高分辨質譜用于體內藥物抗體比(DAR)分析。

此外,兩種類型的ELISA免疫分析用于定量測量ADC的分析物:第一種類型的分析測量總抗體,即DAR大于或等于零的ADC。第二種分析方法測量藥物結合抗體,定義為DAR大于或等于1的ADC。

其它分析方法有尺寸排阻色譜法(SEC)和疏水作用色譜法(HIC)。SEC是最常用的液相色譜(LC)技術,用于測定抗體的聚集數(shù)量,該技術也可用于ADC。雖然HIC是一種用于蛋白質分離、純化和表征的傳統(tǒng)技術,但是這種技術現(xiàn)在正被用于ADC表征和分析。

細胞毒性有效載荷

ADC細胞毒性有效載荷應具備以下特性:

具有細胞毒性的有效載荷應具有恰當?shù)闹苄浴?/p>

有效載荷的靶標應位于細胞內部。

有效載荷的分子應該是小尺寸的,缺乏免疫原性,可溶于水緩沖液,以便可以很容易地偶聯(lián)。

有效載荷在血液中應該是穩(wěn)定的。

目前,常用的細胞毒性藥物效應分子為微管抑制劑(如:auristatins、maytansinoids)、DNA損傷劑(如calicheamicin、duocarmycins、anthracyclines、pyrrolobenzodiazepine dimers)和DNA轉錄抑制劑(Amatoxin和Quinolinealkaloid (SN-38))。已經獲批上市的幾個ADC藥物共使用了6個不同的小分子藥物,其中有3個ADC藥物使用MMAE作為偶聯(lián)藥物,2個藥物使用Calicheamicin作為偶聯(lián)藥物,另外成功應用的還有MMAF,DM1,SN-38,Dxd。

藥物抗體比(DAR)

藥物抗體比(DAR)是指附著在單個單抗上的有效載荷分子的平均數(shù)量,通常在2到4個分子之間。在極少數(shù)情況下,通過使用親水鏈接器有效載荷可以安全地實現(xiàn)高達8的DAR,如Enhertus和Trodelvys。DAR對ADCs療效的測定非常重要,此外,DAR可能影響藥物在循環(huán)中的穩(wěn)定性、PK和ADC的毒性。

研究表明,與DAR值<6的ADCs相比,DAR值高(7到14)的ADCs清除速度更快,體內療效降低。DAR值及其對穩(wěn)定性和PK的影響也取決于偶聯(lián)位置和接頭的大小。

賴氨酸或半胱氨酸通常被修飾以產生ADC。賴氨酸是連接底物和抗體的最常用的氨基酸殘基之一, 賴氨酸通常存在于抗體表面, 因此容易偶聯(lián)。Mylotargs、Kadcylas和Besponsas都使用賴氨酸生物結合技術。

其他氨基酸如半胱氨酸和酪氨酸也可以修飾,用馬來酰亞胺修飾半胱氨酸合成了Adcetriss、Polivys、Padcevs、Enhertus、Trodelvys和Blenreps等ADC。

連接子

連接子(linker)是ADC不可或缺的一部分, 它決定ADC的藥物釋放機制、PK、治療指數(shù)和安全性。早期的ADC連接體是化學不穩(wěn)定的,如二硫化物和腙。這些連接體在循環(huán)中不穩(wěn)定,半衰期短,一般為一到兩天。最新一代的連接體在體循環(huán)中更穩(wěn)定,如肽和葡萄糖醛酸連接體。兩個最常見的連接體如下:

可裂解連接子

裂解型linker對細胞內環(huán)境敏感,在細胞內通過分解代謝和解離共同作用釋放出游離的效應分子和抗體,如酸裂解連接體和蛋白酶裂解連接體。它們通常在血液中穩(wěn)定,但在低pH和富含蛋白酶的溶酶體環(huán)境中會快速裂解,釋放效應分子。此外,如果效應分子可以跨膜,則可通過發(fā)揮潛在的旁觀者效應消滅腫瘤。

不可裂解連接子

不可裂解的linker是一種新一代的連接體,與可裂解的連接體相比,它具有更好的血漿穩(wěn)定性。由于不可裂解的連接體可以提供比可裂解連接體更大的穩(wěn)定性和耐受性,因此,這些連接體降低了靶外毒性,也提供了更大的治療窗口。

免疫原性

在針對8個ADC的11個臨床試驗中, ADAs的基線發(fā)生率在1.4%到8.1%之間,基線后ADAs的發(fā)生率在0-35.8%之間,這些數(shù)值在治療性單克隆抗體的范圍內。總的來說,ADCs的ADA發(fā)生率在靶向血液腫瘤的患者比靶向實體腫瘤的患者少;大多數(shù)ADA是針對ADC的單克隆抗體結構域的。此外,在大多數(shù)患者中,這些ADC的半抗原樣結構并不比治療性單克隆抗體產生更多的免疫應答風險。

ADC藥代動力學模型

應用模型的方法可以將PK、藥效和安全性數(shù)據進行整合,以滿足不同階段ADC藥物研發(fā)的需求,如:靶點的選擇、抗體的親和性、linker的穩(wěn)定性、動物到人的外推、劑量的選擇和調整、E-R相關性研究(exposure-response relationships)、DDI研究等等。由于ADC具有多種清除途徑(解離和分解代謝),以及存在多種分析物的復雜的PK特征,使得其動力學模型也較為復雜。

不同的模型具有不同的應用,如可采用二房室模型和PBPK模型可以用清除率、解離、代謝速率等參數(shù)描述ADC的穩(wěn)定性特征。目前非房室模型、群體藥代模型、基于機制的模型、基于生理的模型在ADC藥物動力學研究中均有應用。

小結

盡管第一個ADC在20多年前就獲得了FDA的首次批準,但制藥行業(yè)必須經歷一個漫長且乏味的學習過程,才能在市場和臨床開發(fā)中獲得一條穩(wěn)定的ADC管線。盡管目前已有15種已批準的ADC,但是由于ADC的技術進步,該領域正在經歷一次爆發(fā),我們在有效載荷,連接子和偶聯(lián)技術方面獲得了多個突破,進一步加深了對ADC這種新型藥物的全面認識。

在ADC藥物的研發(fā)進程中,臨床藥理學起著非常重要的作用,通過不斷發(fā)展的生物分析技術,深入全面地闡明ADC藥物的PK/PD特征,對于推動研發(fā)出更加低毒高效的ADC藥物至關重要。ADC藥物也必將在腫瘤治療領域展現(xiàn)出更加強大的優(yōu)勢。

參考文獻:

1.The Chemistry Behind ADCs. Pharmaceuticals (Basel). 2021 May; 14(5): 442.2. Clinical Pharmacology of Antibody-Drug Conjugates. Antibodies (Basel). 2021 May21;10(2):20.

3. Antibody–Drug Conjugates: The Last Decade. Pharmaceuticals 2020, 13, 245

       原文標題 : 小藥說藥新春第三談:抗體偶聯(lián)藥物

聲明: 本文由入駐維科號的作者撰寫,觀點僅代表作者本人,不代表OFweek立場。如有侵權或其他問題,請聯(lián)系舉報。

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