解密PROTAC下一步的关键，发现人Craig Crews教授最新综述

2023-02-20

蛋白降解靶向嵌合体临床3期临床结果

PROTAC研究领域发展迅速。该技术自2001年首次被耶鲁大学Craig Crews教授团队提出；2008年，该团队报道了首个小分子PROTAC，实现雄激素受体的降解，成为该领域发展的一个重要转折。2019年，由Craig Crews教授创立的Arvinas公司两款PROTAC降解剂进入临床试验，即ARV-110（NCT03888612）和ARV-471（NCT04072952），分别靶向AR和ER。这也使得PROTAC技术受到了药物工业界和学术界的广泛关注，掀起一波研发热潮。图. 蛋白质降解剂发展中的主要里程碑（来源：资料1）截至目前，全球至少有20个PROTAC项目处于临床阶段，其中进展最快的是Arvinas与辉瑞合作的ARV-471，该项目于2022年启动了III期临床。表. 临床研究阶段的PROTAC管线（来源：bioSeedin整理）近日，Craig Crews教授团队在Nature Reviews Clinical Oncology上发表了综述文章，回顾了PROTAC的技术进展，分析了未来发展方向和潜在挑战 [资料1]。PROTAC的MOA、分子设计和进展01作用机制PROTAC分子由3部分组成：靶蛋白配体、连接子以及E3泛素连接酶配体。E3泛素连接酶可通过将一种小蛋白（即，泛素）贴在靶蛋白上将其标记为缺陷或受损蛋白；之后，细胞的蛋白粉碎机（即，蛋白酶体）会识别和降解被标记的靶蛋白。图. 蛋白降解剂 vs. 小分子抑制剂在癌症中的作用机制（来源：资料1）PROTAC蛋白质降解剂可以消除、而不仅仅是抑制目标蛋白质，有望改善传统抑制剂的许多局限性。其主要优势包括：事件驱动的活性、靶向不可成药蛋白、克服耐药、低剂量等。传统小分子抑制剂的作用模式需要在较高的药物浓度条件下，“占据”靶蛋白的活性位点，阻断下游信号通路的转导。并且，"可成药"蛋白需要具有小分子可以占据的结合口袋，80%没有结合口袋的蛋白通常被视为"不可成药"。而PROTAC的作用模式完全不同，它并不是“占据驱动”影响蛋白的功能，而是“事件驱动”介导靶蛋白的降解。不需要作用于蛋白的活性位点，只需与靶蛋白有一定的结合率，因此蛋白降解剂可供选择的靶蛋白结合体更多，从而有望攻克传统意义上的“不可成药”靶点。02靶标选择PROTAC分子量较大，分子性质偏离Lipinski的五规则，药代动力学负担较大。鉴于其“事件驱动”的药理学优势，目前适合蛋白降解剂的靶点选择可以具有以下几种特征：传统的不可成药靶点：如已在进入临床的KRAS、STAT3；对现有疗法已产生耐药的靶点：如BTK C481S突变；蛋白表达偏离自然状态，如过度表达、聚集、异构体表达；如AR；支架蛋白（没有活性位点的蛋白）：如IRAK3、IRAK403E3连接酶的选择人体有超过 600 种E3 连接酶，而迄今为止只有大约10种已被开发用于蛋白降解剂（CRBN、VHL、IAP、MDM2、DCAF15、DCAF16 和 RNF114等）。应用最为广泛的CRBN和VHL，这两种E3连接酶的作用域最高，能够灵活高效地降解广泛的靶蛋白，相对广泛的表达实现高水平的系统性降解。此外，业界对组织或肿瘤特异性的连接酶关注度日益剧增，它们毒性更小，因此临床治疗窗会比较宽。基于共价配体筛选的新发现平台已显示出快速鉴定新E3连接酶配体的潜力，并且现已鉴定出RNF4、RNF114、DCAF16、KEAP1、DCAF11和FEM1B的几种共价配体。04蛋白配体设计随着新靶点越来越多，识别新配体的需求也越来越大。高通量筛选技术——DEL（DNA编码化合物库）技术，解决了配体筛选及优化耗时、困难的问题。DEL技术可以充分发挥其高通量筛选的优势，其DNA编码化合物库可以拥有上百亿、千亿容量的化合物，针对同一个E3连接酶或靶点蛋白，平台可以进行多次平行筛选，解决同一E3连接酶可能存在的不同构象的问题，庞大的分子库保障了小分子结构的多样性和新颖性。05连接子设计连接子的长度、化学结构、与配体的结合位点都与PROTAC的降解效率相关。常用的连接子有PEG、烷基等。连接子太短会阻碍有效三元复合物的形成；连接子太长则可能会破坏三元复合物形成正协同效应。多项研究现已证明，连接子设计可以通过降低自由能或限制生物活性构象，进一步增强效力。这一策略已经在SMARCA2/4降解剂、AR降解剂的研究，以及ER降解剂ARV-471中得到了应用。Crews还曾通过改变连接子长度和连接位点，实现p38的异型选择性降解 [资料3]。优化连接子内的构-效关系 (SAR)将为调整蛋白降解剂的药代动力学特性提供机会。推荐阅读：IF=60.6！饶燏团队最新综述：PROTACs构效关系优化之路PROTAC的现状、未来和挑战01临床和临床前进展蛋白质降解剂在临床前和临床中已显示出有利的特性。在肿瘤领域，临床前数据显示，与小分子抑制剂相比，PROTAC显示出更优的靶标特异性以及抑制肿瘤生长的效力；并且能够对小分子抑制剂治疗后产生的耐药突变具有活性。现在，PROTAC的模式和治疗活性已通过ARV-110、ARV-471 和 NX-2127等在临床中得到了验证。当前产生的临床数据不多，但已经在晚期前列腺癌、乳腺癌、血液瘤（包括AR、ER、BTK耐药突变）患者中显示出治疗潜力。图. PROTAC的临床效果（来源：资料1）02未来方向PROTAC下一步的关键是确定这种方法是否能够真正突破不可药物靶标的降解。当前KT-333（STAT3降解剂）和ASP3082（KRAS G12D降解剂）已获得了I期临床研究的初步数据。此外，靶向递送也已在蛋白降解剂中显示出前景，以最小化潜在毒性。已开发出多种靶向递送策略，包括抗体偶联蛋白降解剂、光控蛋白降解剂等。除了肿瘤以外，蛋白降解技术具有广泛的治疗潜力，未来也有可能在其它疾病中得到应用（例如IRAK4降解剂用于自免疾病）。03潜在挑战该技术尚未解决的一个问题是患者是否会对蛋白质降解剂产生耐药性。临床前研究中的大多数耐药报告是由于泛素-蛋白酶体系统的改变而发生，而非靶蛋白。一项临床前研究表明，多药耐药-1(MDR1)基因的上调是一种对蛋白质降解剂产生耐药性的机制；与MDR1抑制剂共同给药可能有助于克服这种耐药性。当前还需要对长期接受蛋白质降解剂治疗的患者进行评估，以确认临床前观察到的耐药机制是否也发生在临床环境中。除了可能的耐药性之外，PROTAC开发的另一个挑战是新分子的设计。例如，跨膜蛋白靶标通常结合在细胞外，例如GPCRs无法物理接触到胞质泛素-蛋白酶体机制，来驱动蛋白质降解作用机制。此外，不可成药靶点虽然是PROTAC的一个有潜力的应用，但确定降解剂结合位点依然存在难度。不过，蛋白质降解剂的分子设计上，上文提到的DEL技术以及与蛋白质降解剂互补的新技术可能会克服这些障碍。04PROTAC衍生的新技术越来越多的蛋白降解剂衍生的新技术在过去几年也迅速发展起来，一些基于PROTAC或分子胶改造、一些基于RNA降解、溶酶体降解。图. 用于肿瘤治疗的各种嵌合体分子技术（来源：资料1）Craig Crews教授近期基于他的新技术RIPTAC成立了另一家生物技术公司Halda Therapeutics。调节诱导接近靶向嵌合体（RIPTAC）分子的一端可以与肿瘤细胞中高度表达的蛋白相结合，而另一端与细胞内和细胞生存紧密相关的蛋白结合 [资料2]。RIPTAC不是利用PROTAC泛素-蛋白酶体系统降解蛋白的原理，但与PROTAC类似的是，RIPTAC也通过“诱导接近”的原理拉近两个蛋白，且不需要抑制靶点蛋白的活性，只需要肿瘤细胞表达的蛋白水平显著高于健康细胞，就可能发挥疗效。这一新技术的优势包括攻克细胞内靶点，减少耐药性的产生等。图. RIPTAC分子将具有基本细胞功能的蛋白质（灰色）连接到肿瘤特异性蛋白质（紫色），持续阻断靶蛋白在癌细胞内发挥作用，直至癌细胞死亡（来源：c&en）SUMMARY小结PROTAC自二十年前Craig Crews发现以来，现在技术进入了实际应用阶段。未来一是期待更多的临床转化成果，二是探索如何发现更好的PROTAC分子，解决其当前面临的研发痛点。具体的说，在接下来的20年里，PROTAC发展方向包括：明确并在临床上验证更适用降解技术的靶点类型；拓展E3连接酶的范围，实现精准治疗；拓展肿瘤之外的临床治疗的疾病领域；在临床上验证分子胶和PROTAC之外的靶向蛋白降解模式。此外，PROTAC作为小分子创新药虽然研发难度高，但上市监管以及供应链已经比较成熟，竞争格局好，公司发展“先难后易”。随着成药性等难题被攻克，PROTAC极有可能复制甚至超越小分子抑制剂、免疫治疗等成功的发展周期，在未来十年迎来爆发的黄金时代。参考资料：1.Protein degraders enter the clinic — a new approach to cancer therapy. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41571-023-00736-32.Regulated Induced Proximity Targeting Chimeras (RIPTACs): a Novel Heterobifunctional Small Molecule Therapeutic Strategy for Killing Cancer Cells Selectively. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1101/2023.01.01.5224363.Differential PROTAC substrate specificity dictated by orientation of recruited E3 ligase. https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41467-018-08027-7