高效杀手，浅谈ADC创新之路——有效载荷

2024-05-25

抗体药物偶联物

前言有效载荷（payload）是ADC发挥肿瘤杀伤作用的重要武器，其作用机制很大程度上决定了ADC药物的性能，而其活性和理化性质对抗肿瘤疗效也有直接影响，因此其重要性不言而喻。在日趋成熟的技术驱动下，有效载荷已经历了三代创新，从第一代ADC使用的细胞毒性载荷如甲氨蝶呤（Methotrexate）Methotrexate）、长春花碱（Vinblastine）和阿霉素（Doxorubicin），发展到以微管蛋白抑制剂（Maytansine）微管蛋白抑制剂（Maytansine）为主的第二代新型高效有效载荷，以及以DNA损伤剂为代表的第三代有效载荷。当前，基于不同的作用机制和功能需求，有更多的新型载荷在探索和开发中（如图1所示）。本文从有效载荷的理想特征、多样性、作用机制等方面认识和探索其未来的创新之路。图1 ADC有效载荷的发展之路理想的有效载荷理想的有效载荷应具备以下几点：有足够强的细胞毒性有较低的免疫原性在循环系统有较高的稳定性有可修饰的功能结构提供偶联位点且不影响效力有旁观者杀伤效应有适当的水溶性作用靶点在胞内有效载荷的多样性目前，已获批ADC所使用的有效载荷包括了3种DNA损伤剂（2个calicheamicin, 1个pyrolobenzodiazepine dimer (PBD)和2个拓扑异构酶抑制剂拓扑异构酶抑制剂），2种微管抑制剂（4个aurisatins和2个maytansinoids）和1种细菌毒素，前两者是现在临床试验中最常选择的有效载荷，但其他类型的有效载荷也在开发中。根据作用机制可大致分为如下几类：靶向微管的有效载荷、靶向DNA的有效载荷、靶向RNA的有效载荷、免疫类ADC有效载荷和其他新型潜力有效载荷（如图2所示）。图2 有效载荷的种类1. 靶向微管的有效载荷微管是真核细胞骨架的重要组成部分，参与多种细胞功能，包括维持细胞形态、信号转导、细胞器运输、细胞运动、细胞有丝分裂等，从而成为肿瘤治疗的重要靶点。靶向微管蛋白的抑制剂通过与微管蛋白结合，干扰微管的动态结合，使细胞生长停滞于细胞周期的G2/M期，最终导致细胞凋亡。其中，微管蛋白聚合增强剂，如奥瑞他汀类化合物MMAE和MMAF，作用于α,β微管蛋白二聚体的β亚基，使微管的生长不受调节。与之相反，微管蛋白聚合抑制剂，如美登素类化合物DM1和DM4，通过抑制微管的成熟，阻断微管蛋白二聚体的聚合。美登素类化合物（Maytansinoids）美登素最初是从非洲灌木卵圆梅藤（Maytenus ovatus）的树皮中分离出来的，是一类与微管蛋白结合并抑制微管组装的安莎类抗生素。在体外试验中，其皮摩尔级的IC50值表明美登素有很强的抑制肿瘤增殖分化的能力，同时具备很好的稳定性和水溶性使其成为ADC理想的候选有效载荷。由于天然美登素缺少反应功能结构，无法与抗体偶联，因此需要进行化学修饰。例如，将美登素C3侧链的N-乙酰基团替代为3-（甲硫基）丙醛基团，得到美登素衍生物DM1（如图3A-2），接着在DM1二硫键旁增加两个甲基基团即得到DM4（如图3A-3）。DM1和DM4通过二硫键与连接子偶联，并成为ADC药物开发中广泛使用的一类有效载荷。因为C3位点引入的修饰不会干扰药物的结合状态、亲和力和药效，因此更多针对C3位点的化学修饰研究正在开展。例如，酰化反应（如图3A-5）能进一步优化美登素衍生物的合成策略并降低多重耐药蛋白1（MDR1）介导的耐药性。图3 Maytansinoids类化合物结构示意图奥瑞他汀类化合物（Auristatins）海兔毒素（Dolastatin 10）于1987年从印度洋软体动物Dolabella auricularia中分离出来，有很强的的抗肿瘤细胞增殖作用，在纳摩尔浓度下可有效诱导肺癌细胞和其他肿瘤细胞凋亡。其水溶性合成类似物-奥瑞他汀（Auristatin），包括使用最广泛的MMAE和MMAF。MMAE由四个氨基酸构成，包括单甲基缬氨酸（MeVal）、缬氨酸（Val）、dolaisoleuine (Dil)和dolaproine (Dap)，以及C端的氨基去甲黄麻碱。把C端的氨基去甲黄麻碱替换为苯丙氨酸即得到MMAF，其结合亲和力增强，药效降低。目前，对于auristatin类似物的研究主要集中在C端或N端的化学修饰，以增强效力、提高膜渗透性、以及抑制膜外排泵作用等。例如将MMAF C端苯丙氨酸的羧酸替换成四唑或磷酸盐，其效价与MMAF作为有效载荷的效价相似。将海兔毒素N端用丙醇或叠氮化物修饰，细胞试验也显示出其不错的效力。此外，偶联位点（P2、P4）的化学修饰（如叠氮化修饰等）也为下一代auristatin衍生物的开发提供了新方向。图4 Auristatin类化合物结构示意图艾瑞布林（Eribulin）Halichondrin B是一种聚醚大环内酯类天然产物，其人工合成的新型紫杉烷类似物-甲磺酸艾瑞布林（Eribulin）于2010年被批准用于局部晚期和转移性乳腺癌患者治疗。Eribulin通过与β微管蛋白疏水和极性残基结合，抑制细胞有丝分裂。在不同的体外模型中，ADC- Eribulin对肿瘤细胞高效的清除使得eribulin成为有潜力的有效载荷。目前，第二代eribulin类似物的改造主要集中在C32侧链（如图5）。例如在C32引入低碱性胺或提高eribulin的亲脂性可以获得更好的抗肿瘤活性或扩展药物治疗的肿瘤类型。图5 Eribulin类化合物结构示意图微管蛋白抑素（Tubulysins）微管蛋白抑素（Tubulysins）是从黏菌培养基中分离出来的一种天然抗有丝分裂的线性四肽，由Mep、L-Ile、Tuv和Tup/Tut组成（如图6）。Tubulysins的化学修饰多位于Mep、Tuv和含有偶联位点的Tup。例如用五环取代N端Mep的六环对药物活性影响很小；而将Tuv残基的C11进行乙酰化修饰则会显著降低活性。图6 Tubulysins类化合物结构示意图驱动蛋白抑制剂（EG5 inhibitors）EG5在血液瘤和实体瘤中高表达，且与预后不良有关，因此成为有吸引力的癌症治疗靶点。多个EG5抑制剂如SB-715992（Ispinesib）和Filanesib（ARRY-520）都已用于临床研究中。作为ADC有效载荷，EG5抑制剂可以减少其单独使用带来的副反应，如嗜中性白血球减少症、粘膜炎、胃炎以及治疗窗口窄等。2. 靶向DNA的有效载荷与微管蛋白抑制剂相比，DNA抑制剂通过使双链DNA断裂、烷基化、嵌合、交联等，作用于整个细胞周期，引起细胞毒性作用，对实体瘤有良好的治疗效果。此外，DNA抑制剂的靶点远少于微管蛋白抑制剂，当ADC携带相同数量的有效载荷进入细胞时，DNA抑制剂可以显示出更好的杀伤效果。而且以DNA抑制剂为有效载荷的ADC可以靶向低抗原表达的肿瘤细胞。烯二炔类（Enediyne）从细菌中分离出的烯二炔是迄今为止发现的最具细胞毒性的天然产物之一，通过破坏细胞单链或双链DNA，导致细胞死亡，因此成为常用的ADC有效载荷。其中，开发最成功的卡奇霉素（Calicheamicins）是已上市ADC药物Mylotarg和Besponsa的有效载荷。卡奇霉素通过靶向与DNA结合的小沟，特异性诱导DNA双链断裂，引发自噬。虽然卡奇霉素对正常细胞的杀伤阻碍了其在临床应用中的进展，但高细胞毒性、小分子量和明确的作用机制使其成为有吸引力的有效载荷。拓扑异构酶I抑制剂（Topoisomerase I inhibitors）拓扑异构酶I（TOPO-I）是一种重要的稳定基因组和保护DNA结构的核酶，已成为ADC的热门靶点。晶体结构研究发现临床批准的抗癌药物-拓扑替康（topotecan）是一种非竞争性抑制剂，通过在酶诱导缺口处的两条DNA链之间插入碱基，与酶-底物复合物结合。因此拓扑替康类似物成为一类特别有吸引力的ADC有效载荷，例如天然五环产物喜树碱(CPT)，极低的溶解度阻碍了其被广泛使用；半合成的喜树碱SN-38（伊立替康CPT-11的活性成分），其较高的疏水性和有限的偶联位点数量增加了偶联物制备的挑战性；水溶性的CPT类似物-甲磺酸依喜替康（DX-8951f）具有很强的TOPO-I抑制和抗肿瘤活性；新型高膜渗透性TOPO-I抑制剂DXd（DX-8951衍生物）能抵制P糖蛋白介导的多重耐药性，且有较强的疗效，但其F环含有第二个手性中心，增加了合成和衍生化难度。对CPT的化学修饰主要围绕C7-C11位点，例如研究显示C10位点的羟基修饰可增强抗肿瘤活性；C11位点的氟修饰会数倍增强细胞毒性；一些化学修饰为偶联提供了可选位点。图7 TOPO-I结构示意图吡咯并[2,1-c][1,4]苯二氮杂卓（PBD）PBD是在链球菌中发现的一类具有抗肿瘤活性的天然产物，主要由芳香A环、B环和吡咯烷C环组成。PBD在DNA小沟中进行选择性烷基化，DNA链交联导致DNA损伤，引起细胞凋亡。基于强大的细胞毒性，PBD二聚体具有成为ADC有效载荷的潜力，且正在通过一系列结构修饰以改进PBD作为有效载荷的性能。例如，C8位置进行侧链修饰可以得到多种有活性的化合物，而且侧链长度缩短也具备充足的细胞毒性。在结构中引入酸性或碱性基团能改变化合物的理化性质，通过引入磺酸会导致PBD二聚体从胞质溶酶体转运至胞质和/或胞核内。二硫化修饰的PBD二聚体在GSH水平较高的细胞内表现出更好的稳定性。从结构可以看出（如下图8），PBD类化合物的偶联位点是C2和N10。其中B环的N10位点能与DNA共价连接，比C2位点更安全。未来其偶联位点的修饰或许也是研究方向之一。图8 PBD及衍生物结构示意图3. 靶向RNA的有效载荷以RNA为靶点的小分子抑制剂既能杀死处于分裂状态的肿瘤细胞，也能杀死处于休眠状态的肿瘤细胞，作为ADC有效载荷有望解决无效肿瘤休眠细胞导致的肿瘤耐药和肿瘤复发扩散问题。目前，可作为ADC有效载荷的RNA抑制剂有两种主要类型：RNA剪接抑制剂（泰兰斯他汀及其类似物）和RNA聚合酶II抑制剂（毒伞肽）。泰兰斯他汀（Thailanstatin）RNA剪接抑制剂是一种有效的抗增殖药物，能够靶向分裂活跃和静止的细胞。Thailanstatin是一种从泰国布鲁氏菌中分离出来的天然产物，通过与剪接体U2snRNA复合物的SF3b亚基结合而激活。Thailanstatin家族化合物经抑制真核mRNA剪接途径，对剪接体有较强的结合和抑制作用，从而成为ADC的潜在有效载荷。辉瑞首次探索将RNA剪接抑制剂用作与曲妥珠单抗偶联的有效载荷（如图9-87），并在体外动物模型和细胞系药效研究中取得了不错的结果。图9 Thailanstatin类化合物结构示意图毒伞肽（Amatoxins）毒伞肽（Amatoxins）是一种由核糖体合成的毒性环状八肽，是真核RNA聚合酶 II的选择性抑制剂，能导致细胞凋亡。Amatoxins含有一个由八个L型氨基酸残基构成的大环，通过亚砜部分连接色氨酸和半胱氨酸残基，其三个侧链被羟基化，因此具有良好的水溶性。迄今，研究最深入也最有效的是α-Amatoxin（如图10-88），能显著抑制肿瘤转移和复发，是抗肿瘤耐药性的潜在化合物，目前已被用于靶向BCMA的ADC药物（HDP-101），且正在进行I/Ia期临床试验，用于治疗复发/难治性多发性骨髓瘤。此外，将β-amanitin的羧基（如图10-89）偶联到IgG赖氨酸的氨基上，也能得到具有良好血浆稳定性和高细胞毒性的ADC。图10 Amatoxins类化合物结构示意图4. 免疫类ADC有效载荷ADC在肿瘤临床治疗中的成功，激发了研究者对ADC在其他治疗领域的探索，尤其是免疫学。肿瘤免疫包括T细胞、巨噬细胞、树突状细胞等，通过免疫调节将冷肿瘤转化为热肿瘤，最终增强免疫治疗的效果。然而，对于不能产生自发性T细胞应答和T细胞浸润的癌症患者（冷肿瘤）来说，免疫检查抑制剂并不能很好地发挥作用。因此，开发出能够刺激患者先天性免疫应答，以及促进肿瘤特异性T细胞招募的免疫疗法成为研究热点。与传统ADC不同，免疫刺激抗体偶联物(ISACs)既有抗体的精度靶向特点，又能基于小分子调控先天性和适应性免疫系统。一方面，偶联的免疫激动型小分子能增强免疫应答。另一方面，抗体的靶向性降低了小分子免疫激动剂的毒性。此外，传统的ADC是依赖抗原介导的内吞作用杀死癌细胞，而免疫调节ADC是通过细胞表面FcγR介导的内吞作用激活免疫细胞。目前，正在研究的免疫调节ADC的有效载荷主要包括toll样受体(TLR)激动剂和干扰素刺激因子(STING)激动剂。Toll样受体激动剂Toll样受体(TLRs)是一类重要的参与先天免疫的蛋白分子，是机体抵抗传染病的第一道屏障。激活TLR受体可以改善肿瘤微环境中树突状细胞和巨噬细胞的抗原呈递，促进CD8+T细胞的增殖。Toll样受体激动剂作为一种免疫增强剂，在肺癌、黑色素瘤、白血病和胶质瘤中直接或间接地诱导和增强抗肿瘤免疫反应，从而有效地抑制肿瘤生长。因此，TLR激动剂（主要是TLR7/8/9）成为肿瘤免疫治疗的热点之一。将其应用于ADC也能有效降低毒副作用，提高肿瘤杀伤效果。例如，以TLR8激动剂 TLR8激动剂 (如下图11-91)为有效载荷的抗Her2抗体偶联物，在体外以Her2依赖的方式驱动多种抗肿瘤免疫机制，并在小鼠肿瘤模型中显示出良好的抗肿瘤效果。以TLR7激动剂 (如下图11-92)构建的一类新的免疫调节ADC（HE-S2）在体外试验中也有非常显著的抗肿瘤作用。目前，越来越多的国内外药企开始布局这一ADC差异化开发新赛道，包括恒瑞、百济、InnoventBio、Silverback等。图11 Toll样受体激动剂结构示意图STING激动剂干扰素刺激因子(STING)是天然免疫信号通路中的关键调控因子，具有启动机体自然免疫防御反应，促进T细胞形成适应性免疫的功能。STING介导的I型干扰素信号通路是自然免疫领域的重大发现，为肿瘤免疫治疗提供了新的靶点。鉴于游离STING激动剂 STING激动剂的全身给药受到毒性限制，且广泛的生物分布可能不理想，因此可以通过与抗体偶联实现STING激动剂 STING激动剂的肿瘤靶向递送、降低毒性，并发挥抗肿瘤作用。环二核苷酸（CDN）是STING蛋白的天然配体（如下图12-93），可通过磷酸酯、糖环和碱偶联抗体。例如，SPEROVIE通过将CDN中的硫代磷酸盐或甲酸酯与PD-1或CTLA-4抗体偶联形成了ADC药物（WO2021046426A1,2021.03.11）。此外，Mersana使用STING激动剂 STING激动剂（图12-94）作为有效载荷获得的ADC候选药物XMT-2056也已经进入临床前研究阶段，并且基于其优秀的临床前数据，XMT-2056被FDA授予治疗胃癌的孤儿药称号。还有日本小野制药开发的一种非核酸STING激动剂（图12-95），作为有效载荷通过药物结构中的吡唑环与连接子偶联。图12 STING激动剂 STING激动剂结构示意图5. 新型潜力有效载荷Bcl-xL抑制剂Bcl-xL是一种抗凋亡蛋白，在肿瘤形成、转移和耐药过程中发挥重要作用。理论上可以通过阻断Bcl-xL的BH3结合域，诱导癌细胞凋亡。将Bcl-xL抑制剂作为ADC药物的有效载荷，既可以保留活性，又能降低对血小板的毒性。通过一系列晶体结构和构效关系研究，发现因为Bcl-xL上E单元的抑制作用，其比W单元更重要，特别是B环。2017年，AbbVie首此将Bcl-xL抑制剂（如下图13-104）与抗B7H3抗体偶联，获得靶向EGFR 的ADC（ABBV-155），目前仍在临床研究中（ClinicalTrials.gov identifier: NCT03595059）。图13 Bcl-xL抑制剂结构示意图烟酰胺磷酸核糖转移酶（NAMPT）抑制剂烟酰胺磷酸核糖转移酶（NAMPT）是一种控制细胞内NAD+浓度的限速酶，能将烟酰胺转化为烟酰胺单核苷酸。当NAMPT被抑制时，NAD+水平下降到代谢所需的水平以下，导致能量危机，最终引起细胞死亡。虽然NAMPT抑制剂是强效的细胞毒性分子，但它们作为化疗药物在癌症治疗中的使用受到毒性的限制。但鉴于它们不同于其他有效载荷的作用机制、简单的结构和高效价，NAMPT抑制剂可以作为ADC有效载荷应用于临床。蛋白酶体抑制剂（Carmaphycins）蛋白酶体抑制剂是一类新兴的抗癌药物，对某些癌细胞具有超强的细胞毒性，如环氧酮类蛋白酶体抑制剂-carmaphycins。Carmaphycins A和B是从海洋蓝藻菌（Symploca sp.）中分离鉴定出的，它们的α,β-环氧酮可直接与甲基硫氨酸亚砜或甲基硫氨酸砜结合，抑制蛋白酶体的β5亚基。但由于较差的选择性，carmaphycins常表现出毒副作用。而作为ADC有效载荷，高毒性的carmaphycins衍生物可保持理想的效力并获得更好的耐受性。酪氨酸激酶抑制剂人类基因组包括500多种激酶，其中150多种与包括癌症在内的各种疾病有关。蛋白激酶是催化磷酸化的酶，分为3类：丝氨酸激酶、苏氨酸激酶和酪氨酸激酶。目前在临床试验中研究的小分子中有超过四分之一是蛋白激酶抑制剂蛋白激酶抑制剂，超过30种FDA批准用于癌症治疗的分子是激酶抑制剂。但是由于蛋白激酶抑制剂的效力低，因此尚未在ADC有效载荷领域进行广泛的探索。对有效载荷创新的思考除了上文介绍的有效载荷类型和一些经典的化合物，还有很多新的开发思路，如以PROTAC分子作为有效载荷，以近红外光免疫疗法（NIR-PIT）药物作为有效载荷，或开发双载荷ADC、放射性核素药物偶联物（RDC）、抗体-螯合物偶联物（ACC）、抗体-寡核苷酸偶联物（AOC）和肽-药物偶联物（PDCs）等。纵观整个ADC有效载荷开发历程，可以看到以问题为导向，不管是对天然化合物的优化改造还是对不同作用机制的探索，只要“脑洞大开”敢于尝试，终能走出自己的路。参考文献：[1] Shapiro MA. 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