前言

抗體偶聯(lián)藥物(ADCs)在過去10年中取得了長足的進展,ADC是一種通過一個合理構(gòu)建的連接子將細胞毒性小分子藥物偶聯(lián)到單克隆抗體上的復合物,可以向腫瘤內(nèi)選擇性地輸送有效的細胞毒性藥物。

2009年gemtuzumab ozogamicin(Mylotarg) 是美國食品和藥物管理局(FDA)批準的第一個ADC藥物。目前,FDA已經(jīng)批準上市了11個ADC藥物,還有上百個ADC藥物正處于臨床研究階段。  

2009年,卡利霉素、金盞花素和美登素類藥物是用于ADC開發(fā)的主要細胞毒素。十年來,這些分子仍然被用作有效載荷進行優(yōu)化,以獲得更好的穩(wěn)定性和親水性。新的細胞毒性物質(zhì)也被開發(fā)出來,如PBDs、杜卡霉素和喜樹堿衍生物等。

抗體工程在10年間也已經(jīng)取得了相當大的進展,允許更多的位點特異性偶聯(lián),提高了ADC的均一性和穩(wěn)定性。新的第二代和第三代ADC已經(jīng)進入臨床,以期獲得更好的治療效果和安全性。幾十種基于半胱氨酸殘基、非天然氨基酸或分子工程模式的生物偶聯(lián)技術(shù)也已經(jīng)在臨床前研究獲得了驗證。此外,更多的腫瘤特異性抗原靶點和腫瘤內(nèi)細胞毒性藥物的釋放機制使ADC獲得了爆炸式的發(fā)展,ADC藥物進入了黃金時代。

第一代和第二代ADC

一個成功的ADC藥物取決于兩個關鍵因素。第一需要一個穩(wěn)定可靠的連接子連接抗體和有效載荷,這個連接子在血漿循環(huán)中保持穩(wěn)定,并且在腫瘤細胞內(nèi)吞后迅速切割,以便有選擇地將有效載荷傳遞到腫瘤中,并限制由于非靶向毒性引起的不良反應。連接子需要對溶酶體條件(蛋白酶、酸性和還原介質(zhì))敏感。

第二個成功的關鍵因素是必須將一種強大的細胞毒性劑偶聯(lián)到抗體上。事實上,由于有效載荷(例如蒽環(huán)類藥物)的效力較低,第一批ADC的特點是治療指數(shù)較低,導致到達最大耐受劑量(MTD)時治療效果依然非常有限。

Mylotarg、Besponsa和第一代可切割連接子

Mylotarg于2000年被FDA批準用于治療急性髓細胞白血病(AML)。它是由卡奇霉素通過一個包含腙鍵的可切割連接子與gemtuzumab(一種突變的抗CD33 IgG4亞型單抗)偶聯(lián)而成。這種ADC的平均藥物抗體比(DAR)只有1．5,含有約50%的未偶聯(lián)單克隆抗體。ADC內(nèi)化后,腙鍵可在內(nèi)體酸性環(huán)境中水解,釋放出卡奇霉素的前體,然后由谷胱甘肽還原為自由活性的卡奇霉素。后者與DNA小凹槽結(jié)合并經(jīng)歷Bergman環(huán)化,從而產(chǎn)生高度反應性的雙自由基,引起序列選擇性DNA雙鏈切割。

從理論上講,腙在生理pH值下應在血液循環(huán)中保持穩(wěn)定,并在酸性條件下內(nèi)化后進行選擇性水解。然而,Mylotarg的連接子表現(xiàn)出一定的不穩(wěn)定性,導致卡奇霉素在血漿循環(huán)中過早釋放,嚴重的毒性導致隨后輝瑞公司在2010年將Mylotarg退市。

得益于近年來在臨床上積累的經(jīng)驗以及技術(shù)的進步,Mylotarg于2017年重新獲批,優(yōu)化后提高了連接子的穩(wěn)定性,以較低劑量使用,并修改給藥計劃,適用于不同的患者群體。

一個類似的連接子被開發(fā)出來并用于將卡奇霉素偶聯(lián)到inotuzumab,一種突變的CD22靶向抗體上, inotuzumab-ozogamicin (Besponsa)于2017年被FDA批準用于治療急性淋巴細胞白血病(ALL)。

Kadcyla和第二代不可切割連接子

鑒于這些發(fā)現(xiàn),人們繼續(xù)開發(fā)連接子設計的替代策略。然而,一個偶然的發(fā)現(xiàn)使Immunogen得以識別出一種出人意料的有效ADC。DM1通過含有N-琥珀酰亞胺基-4-(N-馬來酰亞胺甲基)環(huán)己烷-1-羧酸鹽(SMCC)的不可切割的連接子與曲妥珠單抗的賴氨酸殘基偶聯(lián),這種ADC(T-DM1,Kadcyla)于2013年經(jīng)FDA批準用于HER2陽性乳腺癌患者。

這種新型的ADC在HER2陽性乳腺癌模型中非常有效,只有ADC在內(nèi)化后在溶酶體中經(jīng)酶完全消化后,原始結(jié)構(gòu)才具有活性,以獲得活性代謝物Lys-MCC-DM1。

Adcetris, Polivy和第二代可切割連接子

與此同時,西雅圖遺傳學設計了自己的偶聯(lián)技術(shù),通過可切割連接子mc-VC-PABC,其中包含馬來酰亞胺基間隔子、作為組織蛋白酶底物的標準Val Cit二肽序列和PABC自降解間隔子,將金盞花素(MMAE)生物偶聯(lián)到抗CD30 抗體的半胱氨酸殘基上,這種ADC(Adcetris)于 2011年被FDA批準用于間變性大細胞淋巴瘤和霍奇金淋巴瘤的治療。

Adcetris在腫瘤細胞內(nèi)化后,可切割連接子降解,釋放出的MMAE能破壞靶細胞并擴散到細胞膜上,到達并殺死鄰近的癌細胞。這種現(xiàn)象被稱為旁觀者效應,允許釋放的MMAE殺死CD30陽性和CD30陰性的腫瘤細胞。

類似地,這種第二代連接子(mc-VC-PABC)被用于Polivy,一種將MMAE與polatuzumab(抗CD79b單抗)偶聯(lián)的ADC,于2019年6月被FDA批準用于治療成人彌漫性大B細胞淋巴瘤(DLBCL)。

第三代ADC

由于前兩代ADC包括單抗的內(nèi)化、轉(zhuǎn)運或再循環(huán)有關的干擾、抗原的脫落以及 ADC 的溶酶體降解缺陷都會導致藥物釋放的減少,從而影響 ADCs 的療效。因此,亟需開發(fā)與生物偶聯(lián)、載體形式、連接子或毒性藥物相關的新技術(shù),以拓寬 ADC 的應用領域,第三代ADC應運而生。

位點特異性的ADC

盡管ADC取得了越來越大的成功,但直到2019年,市場上每一個批準的ADC都是以異質(zhì)混合物的形式存在的,單抗上的細胞毒性藥物數(shù)量不同且分布在不同的地方,導致了生產(chǎn)過程中的分析問題。事實上,DAR是不受控制的,這種復雜的混合物會顯著影響ADC的藥代動力學和藥效。

裸抗體可能是一種競爭性抑制劑,弱DAR偶聯(lián)物的療效較差,而具有高DAR的抗體在血漿中會被迅速消除,從而損害了ADC的治療窗口。為了拓寬ADCs的治療指數(shù),自2008年以來,區(qū)域特異性生物結(jié)合方法得到廣泛發(fā)展。這些位點特異性方法可分為三類:(i)天然或非天然氨基酸的生物偶聯(lián),(ii)使用酶的生物偶聯(lián)或(iii)基于連接物的生物偶聯(lián)。

第一種方法是通過抗體工程引入特定的氨基酸。Junutula和他在Genentech的同事是先驅(qū)者,他們通過在靶向卵巢癌抗原MUC16的單克隆抗體的265位氨基酸與Adcetris?連接子進行定點生物偶聯(lián),開發(fā)出一種ADC。為此,他們在單克隆抗體的氨基酸序列中引入了兩種半胱氨酸,選擇了這兩種半胱氨酸來保持IgG折疊和與抗原結(jié)合。

將得到的TDC(ADC-硫單抗)與使用傳統(tǒng)隨機生物結(jié)合方法生成的ADC進行比較。

兩種ADC在小鼠異種移植模型中均有效,但TDC在大鼠和食蟹猴體內(nèi)的耐受性高于ADC,并且在體內(nèi)表現(xiàn)出較低的全身毒性。受此策略的啟發(fā),Seattle Genetics和Spirogen開發(fā)了一種類似的技術(shù),稱為MAIA,通過在mAb關鍵區(qū)域的239位引入絲氨酸半胱氨酸突變,實現(xiàn)PBD二聚體的生物偶聯(lián)。

第二種可能性是使用酶介導的區(qū)域特異性生物結(jié)合技術(shù)。谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶催化天然單抗的谷氨酰胺側(cè)鏈與含有伯胺的分子之間形成酰胺鍵�；�于此,Innate Pharma已經(jīng)開發(fā)了一種使用谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶構(gòu)建ADC的三步方法,如下圖所示。

最后,區(qū)域特異性ADC也可以從天然單抗中產(chǎn)生。

在這一策略中,由創(chuàng)新的二溴甲基酰胺(DBM)或二噻吩基馬來酰亞胺(DSPh)組成的異質(zhì)雙功能連接體可以通過區(qū)域特異性生物偶聯(lián)產(chǎn)生更均勻和更穩(wěn)定的ADC,DAR為4。

其它ADC形式

盡管其療效顯著,但大多數(shù)針對實體腫瘤的ADC并沒有超過2期臨床試驗的進展,這表明,為了進入市場,還需要優(yōu)化其他參數(shù)。ADC的有效性受到其大小(150 kDa)的限制,與腫瘤的穿透和吸收不良有關。除了IgG的大小,現(xiàn)在人們認為IgG的Fc部分對于ADC的療效來說是不必要的,甚至是不需要的,事實上,由FcRn誘導的ADC半衰期較長增加了對健康組織的暴露,而FcγR與內(nèi)皮細胞和免疫系統(tǒng)發(fā)生交叉反應,這兩種現(xiàn)象與靶外毒性有關。

較小的結(jié)合形式已被探索以彌補這些缺點,特別是肽、單域抗體片段(sdAb或VHH)、單鏈抗體(scFv)、抗原結(jié)合片段(Fab)或使用CHε4結(jié)構(gòu)域二聚化的小免疫蛋白(SIP)。作為該策略的一部分,最近,auristatin衍生物與抗HER2單鏈抗體(源自曲妥珠單抗)的位點特異性偶聯(lián)產(chǎn)生了兩種新的單鏈抗體藥物偶聯(lián)物(SDCs)。

與天然單鏈抗體相比,這兩種SDC保持了對HER2的親和力,并且能夠在體外有效地殺死SK-BR-3her2陽性細胞(EC50分別為0．68nm和0．32nm),對HER2陰性MCF-7細胞無影響。

盡管DAR為1的SDC不如相應的DAR為4的ADC強大,但這項工作代表了設計具有更高DAR的更有效的小型結(jié)合物的第一步,為進一步的體內(nèi)或甚至臨床研究開辟了道路,以評估其對實體瘤的潛力。

目前以HER2為靶點的ADC在清除表達相對較低HER2+癌細胞方面是無效的。因此,只有大約20%的乳腺癌患者有資格接受HER2靶向治療。此外,HER2表達的腫瘤內(nèi)異質(zhì)性最終導致最初對治療有反應的患者復發(fā)。為了在具有更廣泛HER2表達范圍的癌細胞中獲得有效的抗腫瘤活性,MedImmune開發(fā)了針對HER2的雙翼ADC IMMU4276。

與Kadcyla?相比,在代表不同亞群患者的各種腫瘤模型中,這種雙翼ADC顯示出優(yōu)越的抗腫瘤活性。此外,兩個組合突變(L234F和S239C)減少了與FcγR的結(jié)合,以減少FcγR介導的正常組織中ADC特異性內(nèi)化,從而減少了血小板減少等副作用的發(fā)生。不幸的是,由于高肝毒性,2018年該ADC也在臨床停止。

新靶標和相關釋放系統(tǒng)

在富含細胞間質(zhì)的實體瘤中,在癌細胞表面靶向內(nèi)化抗原是非常困難的。因此,一種新的方法被開發(fā)出來,由腫瘤微環(huán)境(基質(zhì)或血管系統(tǒng))代替癌細胞。在這種策略中,細胞外蛋白酶和細胞外基質(zhì)的其他成分(如酸性介質(zhì)或還原性谷胱甘肽)可用于有效的細胞外釋放用于非內(nèi)化ADC的細胞毒性。

纖維連接蛋白是腫瘤內(nèi)皮下細胞外基質(zhì)的一種成分,與癌細胞表面相比,更容易獲得免疫結(jié)合。SIP形式是單鏈抗體片段與人IgEεCH4結(jié)構(gòu)域融合的結(jié)果。SIP(F8)在C-末端位置用兩個未成對的半胱氨酸殘基生成,允許兩個DM1分子進行區(qū)域特異性生物偶聯(lián),以產(chǎn)生SIP(F8)-SS-DM1的DAR=2的偶聯(lián)物。

在治療實驗中,SIP(F8)-SS-DM1比IgG(F8)-SS-DM1的類似物效果更好。

在F9畸胎瘤小鼠模型中,以5mg/kg 5次注射給藥,以相等(等摩爾)劑量在體內(nèi)比較兩種偶聯(lián)物。SIP偶聯(lián)物使五分之四的小鼠腫瘤完全緩解,而IgG結(jié)合物僅觀察到有限的腫瘤緩解。這兩種結(jié)合物也被證明在細胞毒性DM1釋放動力學方面存在顯著差異。非內(nèi)化ADC的優(yōu)點是避開了免疫結(jié)合物內(nèi)化的某些抵抗機制,而區(qū)域特異性生物結(jié)合方法控制DAR,避免了DAR為0的成分出現(xiàn)。

新型細胞毒性藥物

新的細胞毒藥物已經(jīng)被開發(fā)出來,以靶向低抗原表達或?qū)�auristatins或maytansinoids耐藥的癌細胞。為此,人們開發(fā)了PBD二聚體,這些二聚體的分子結(jié)構(gòu)包含兩個烷基化亞胺官能團,能夠與DNA形成共價鍵。PBD二聚體比傳統(tǒng)細胞毒性藥物(MMAE或DM1)的效力高約50-100倍。Spirogen和Seattle Genetics將PBD二聚體作為ADC細胞毒性物質(zhì)引入,并開發(fā)了SGN-CD33A(vadastuximab-Talinine)和SGN-CD70A,然而很不幸,這兩種基于PBD的ADC最近在III期臨床試驗中被迫停止。SGN-CD33A與致命感染和可能的肝毒性導致的較高的患者死亡率相關,而SGN-CD70A與血小板減少有關。

雖然在臨床試驗期間停止了使用talirine的ADC,但兩個使用相應的tesirine的ADC處于臨床研究的高級階段。Rovalpituzumab tesirine(Rova-T或SC16LD6．5)是由abbvie(Stemcentrx)開發(fā)的抗DLL3 ADC,在小細胞肺癌的III期臨床試驗中進行了測試。

ADC Therapeutics開發(fā)了loncastuximab-tesirine(ADCT-402)和camidanlumab-tesirine(ADCT-301),這兩種藥物都在關鍵的II期臨床階段分別針對B細胞急性淋巴細胞白血病和霍奇金淋巴瘤進行了測試。

Genentech最近開發(fā)了一種新的抗CD22-NMS249 ADC,新的蒽環(huán)類化合物命名為PNU-159682。蒽環(huán)類藥物是目前應用最廣泛的化療藥物之一,在治療侵襲性非霍奇金淋巴瘤(NHL)方面非常有效。該ADC使用MC-VC-PAB-DEA接頭,帶有一個加長的自鎖間隔區(qū),除了傳統(tǒng)的PAB外,還包括N,N′-二甲基乙二胺(DEA)。在體內(nèi),這種抗CD22-NMS249 ADC在異種移植瘤模型中與抗CD22-VC-MMAE ADC一樣有效,而在基于抗CD22-VC-MMAE ADC的細胞系的模型中仍然有效。證明了蒽環(huán)類ADC在治療MMAE耐藥癌癥中的有效性。

作為先前所述ADC的替代品,海德堡制藥公司開發(fā)了一種稱為ATAC(針對抗體靶向鵝膏蛋白結(jié)合物)的專利技術(shù),該技術(shù)基于強RNA聚合酶II抑制劑。α-和β-鵝膏堿是兩種著名的鵝膏毒素,在四十多年前的蘑菇中鑒定出來。HDP-101是由HDP30．2115(α-鵝膏蛋白的穩(wěn)定類似物)通過組織蛋白酶B敏感連接物與靶向B細胞成熟抗原(BCMA,CD269)的硫單抗(由Genentech設計)定點偶聯(lián),產(chǎn)生DAR為2的ATAC。

BCMA已經(jīng)成為治療多發(fā)性骨髓瘤的一個非常有選擇性的靶點。在體內(nèi),在多發(fā)性骨髓瘤的各種異種移植模型中,HDP-101導致小鼠腫瘤完全緩解,安全性研究在小鼠和猴子身上確定了一個非常有利的治療窗口。ATACs是一類非常有前途的化合物,但目前仍處于臨床前階段。

第三代的成功典范:Enhertu和Trodelvy

在許多開發(fā)ADC的公司中,Immunomedics設計了一個令人驚訝的ADC,通過三重賭注:構(gòu)建一個針對稍微過表達靶點的ADC,使用了一個混合了細胞內(nèi)和細胞外釋放的系統(tǒng),以及比常規(guī)使用的有效載荷更弱的毒性藥物。Sacituzumab-govitecan(IMMU-132)是一種抗TROP-2單抗,通過具有短聚乙二醇化單元的可裂解馬來酰亞胺連接體與SN-38(伊立替康的活性代謝物)偶聯(lián)。

FDA于2020年4月批準,這一成就令人印象深刻,因為這種ADC用于難治或耐藥的三陰性乳腺癌(TNBC),之前沒有有效的治療藥物。這種ADC的另一個有趣的特點是:包括聚乙二醇化單元的連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使得該ADC的DAR高達7．6,而不會影響其耐受性或效率。DAR=4長期以來被認為是最佳的,但這一說法現(xiàn)在只適用于已知認可的ADC,其有效載荷為DM1或MMAE的第二代接頭。

同樣,為了使伊立替康衍生物與精心設計的連接體結(jié)合,日本第一三共公司開發(fā)了DXd(exatecan或DX-8951)。DXd是一種比SN-38體外對癌細胞活性高10倍的細胞毒性劑。DXd具有更好的安全性和最佳的溶解度,能夠引起旁觀者殺傷效應殺死鄰近的癌細胞,這在異質(zhì)性腫瘤中是一個優(yōu)勢,但半衰期短,可避免靶外毒性。

通過對蛋白水解敏感的馬來酰亞胺連接體將DXd生物結(jié)合到抗HER2曲妥珠單抗半胱氨酸殘基上,使得獲得均勻DAR為7．7的共軛fam-trastuzumab-deruxtecan nxki(DS-8201a)。盡管DAR很高,但第一三共的DS-8201a在大鼠和猴子中的耐受性非常好,并且在血漿中非常穩(wěn)定。

DS-8201a能夠在體內(nèi)有效地將DXd輸送到異質(zhì)性腫瘤中,并顯示出很高的治療效果。去年,在轉(zhuǎn)移性HER2陽性乳腺癌的III期臨床研究中,DS-8201a成功地與T-DM1進行了比較,并最終于2019年12月底獲得FDA批準。

ADC的毒性

Gemtuzumab-Ozogamicin

Gemtuzumab ozogamicin(Mylotarg)于2000年被FDA批準用于治療某些急性髓細胞白血病(AML)患者。2001年,由于觀察到靜脈阻塞性疾病的病例,FDA發(fā)出了警告。2004年,一項隨機研究比較了傳統(tǒng)療法以及與Mylotarg 聯(lián)合的效果,結(jié)果由于后者死亡率的增加而提前停止試驗。2010年Mylotarg從除日本外的大多數(shù)市場撤出。

由于第一次臨床研究中可用的分析方法有限,Mylotarg后來才被確定為DAR方面的異質(zhì)產(chǎn)品。雖然理論DAR值在2．5左右,但藥物中50%以上的抗體沒有被偶聯(lián),其他抗體的DAR值為4或5。同時,Mylotarg僅確定一個劑量的方案難以獲得滿意的治療指數(shù),不得不放棄開發(fā)。

然而,后續(xù)法國急性白血病協(xié)會(ALFA)的研究表明,將給藥分為三個劑量,既提高了存活率,又沒有發(fā)生嚴重不良事件。于是,Mylotarg于2017又重新獲批上市。。

Brentuximab Vedotin

Brentuximab vedotin(Adcetris)于2011年被批準用于治療某些表達CD30的淋巴瘤,包括霍奇金淋巴瘤和間變性大細胞淋巴瘤。然而,Adcetris作為單藥治療,臨床上表現(xiàn)出潛在的嚴重周圍神經(jīng)病變、中性粒細胞減少癥和血小板減少癥,這是抗血小板藥物的典型副作用。另一方面,觀察到進行性多灶性白質(zhì)腦病的罕見而嚴重的病例。

另外,Adcetris與博萊霉素(一種治療霍奇金病的常用藥物)聯(lián)用,發(fā)現(xiàn)會導致不可接受的肺毒性,這種組合因此被排除。

ADC的典型或非預期毒性

根據(jù)ADC的有效載荷藥物分類,如微管破壞劑(auristatins和maytansinoids)、抗有絲分裂抑制劑(KSPis)或DNA損傷藥物(calichaemycin和PBD),某些毒性是可以預期觀察到的。這些包括可達4級的骨髓毒性,敏感的神經(jīng)和生長毒性。

另一方面,也報告一些在標準細胞毒性藥物上沒有觀察到的的副作用。這些包括眼部毒性,如角膜炎或含有MMAF或DM4的ADC引起的角膜沉積物,這可能構(gòu)成這些ADC藥物的限制性毒性。Kadcyla已經(jīng)證明會增加放射性壞死的風險。對這些非預期毒性的理解和管理對優(yōu)化使用這些藥物是至關重要的。

ADC耐藥的機制

ADCs在腫瘤靶細胞水平上的作用機制包括幾個階段:與抗原結(jié)合,內(nèi)化,藥物釋放(主要在溶酶體中),藥物釋放到細胞質(zhì)中,藥物作用于靶標誘導細胞凋亡。這些步驟中的每一步都可能與體外或體內(nèi)的臨床前研究所提示的抗藥性有關:

(i)靶抗原的下調(diào)和/或抗體的結(jié)合、內(nèi)化、運輸或再循環(huán)缺陷;

(ii)ADC的溶酶體降解缺陷或溶酶體轉(zhuǎn)運體如SLC46A3的表達減少,導致胞漿中有效載荷的釋放降低;

(iii)微管蛋白或微管動力學調(diào)節(jié)劑的改變;

(iv)通過上調(diào)耐藥轉(zhuǎn)運體如MDR1減少藥物在細胞內(nèi)的滯留。

這些潛在耐藥機制的臨床相關性仍有待證實。事實上,在ADC治療開始前和治療后復發(fā)期間獲取腫瘤樣本是很復雜的。另外,在聯(lián)合治療的背景下,從其他藥物中辨別抗ADC的耐藥機制也同樣復雜。

小結(jié)

在過去的十年中,ADCs已經(jīng)通過選擇更好的細胞毒性藥物、生物偶聯(lián)方法、更好的靶向抗原和優(yōu)化的抗體工程得到了改進。然而,它仍存在一些局限性(如有限的實體瘤滲透性和毒性)以及耐藥機制的出現(xiàn)。

為了克服這些局限性,人們研究了新的抗體形式、新的傳遞系統(tǒng)、非內(nèi)化抗原靶點、新的細胞毒性藥物和位點特異性生物偶聯(lián)方法來促進ADC的發(fā)展。雖然許多創(chuàng)新尚未在臨床方案中得到驗證,但這一領域的研究為我們提供了許多令人鼓舞的結(jié)果。相信ADC未來的十年將會迎來更加輝煌的前景。

參考文獻:

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