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(nèi)吞途徑進入細胞內(nèi),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(nèi)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(lǐng)域持續(xù)火熱。

ADC中有幾個變化的部分,成功顯然沒有通用的公式。因此,如何選擇合適的抗體、抗體的內(nèi)吞機制如何、在何處以及如何將連接子連接到抗體、每個抗體連接多少藥物分子、如何連接連接子和藥物有效載荷、最佳藥物有效載荷是什么樣的?這些問題需要我們深刻理解ADC各個組分的生物學和化學特性,才能獲得滿意的答案。

有效載荷

1． 微管破壞藥物

金盞花素

Auristatins是ADC中使用的重要有效載荷,最著名的家族成員MMAE存在于兩種上市藥物Adcetris和Polivy中。目前,超過10種以金盞花素(如MMAE)或一甲基金盞花素F(MMAF)為有效載荷的ADC正在進行臨床試驗。

上圖描述了auristatine及其常用的連接位點。金盞花素的構(gòu)效關(guān)系(SAR)已被廣泛研究,主要集中在末端亞單位:P1(N-末端)和P5(C-末端),最常見的方法是在P1上引入氨基甲酸酯功能。

2015年,西雅圖遺傳學的研究人員將ADC有效載荷的范圍擴大到包括叔胺,特別是N-二甲基auristatine,首次通過銨鍵將藥物與單克隆抗體結(jié)合。所得ADCs在生理條件下穩(wěn)定,體內(nèi)外活性高,免疫特異性強。這些結(jié)果擴大了ADC可用于靶向給藥的藥物種類。

最近,Agensys公司通過調(diào)節(jié)中心亞基P2-P3-P4,將疊氮化物基團引入P2和P4亞基,在與蛋白酶可裂解的連接子偶聯(lián)后,產(chǎn)生了在體外和體內(nèi)效力提高的親水性衍生物,這為連接子的連接提供了新途徑。

一般來說,在同時含有胺和醇反應的auristatin中,首選的連接點是胺通過氨基甲酸酯鍵偶聯(lián)。西雅圖遺傳學開發(fā)了一種新的策略,將含醇的有效載荷與亞甲基烷氧基氨基甲酸酯(MAC)偶聯(lián)。為了穩(wěn)定MAC鍵,堿性基團和吸電子基團都靠近氨基鍵,結(jié)果表明,該偶聯(lián)物在生理條件下是穩(wěn)定的,具有很高的效價,并且在體內(nèi)外都具有免疫特異性。

此外,烏普薩拉大學的研究人員還開發(fā)了AZASTATIN,作為一類新的強有力的auristatin衍生物,包含一個中心胺側(cè)鏈的抗體結(jié)合位點。他們的研究結(jié)果證實,這些auristatin衍生物是一類新的細胞毒性有效載荷,適合ADC開發(fā)。

美登素衍生物(DM2,DM4)

美坦辛是一種非常有效的微管組裝抑制劑,可誘導細胞的有絲分裂停止。但是這種結(jié)構(gòu)很難共軛,因為它沒有反應性官能團,為了克服這個問題,一系列含有SMe基團的非常有效的衍生物被創(chuàng)造出來。這一類分子的第一個例子是DM1和DM4,它們帶有甲硫丙�；�而不是天然N-乙酰基。

從有效載荷DM1和DM4中,通過使用二硫鍵與連接子偶聯(lián)。穩(wěn)定的二硫鍵連接子在血液循環(huán)中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,同時在細胞內(nèi)保持有效的分裂。

此外,幾種基于maytansine的ADC利用相同的二級羥基作為附著點,并在大多數(shù)情況下攜帶轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶生物結(jié)合的連接子。例如,一種基于Daratumumab的ADC被證明能向CD38過度表達的癌細胞特異性地傳遞DM4。最近ImmunoGen開發(fā)了一種新型的ADC,它包含一種含硫的maytansinoid,通過一種高度穩(wěn)定的三肽連接體連接到抗體上,附著點與上述羥基相同。與先前的美登素ADC相比,增加連接物中亞甲基單元的數(shù)量增加了旁觀者殺傷活性,并提高了小鼠體內(nèi)的療效。在類似的方法中,保持核心大環(huán)不變,Regeneron和Abzena的研究人員研究了N-甲基丙氨酸氮取代的影響,也改變了大環(huán)上側(cè)鏈的長度,以及通過伯胺和仲胺連接的連接子。

微管溶素

Tubulysins是微管聚合的有效抑制劑,可導致分裂細胞的細胞骨架迅速解體,并導致細胞凋亡。它們是一個天然存在的四肽家族,含有Mep、Ile、Tuv和Tut,R3=OH或Tup,R3=H。

利用Tubulysins作為ADC有效載荷,其廣泛的附著點已被充分開發(fā)。這種結(jié)構(gòu)中一個明顯的附著點是Tut或Tup模塊的羧酸,如Endocyte的EC1428,其中羧酸通過酰肼部分連接到連接子。Oncomatryx公司也采用了同樣的方法,以同樣的方式安裝了可切割的PABAValCit馬來酰亞胺連接子。

阿斯利康、百時美施貴寶和輝瑞使用的另一種方法依賴于Tup或Tut中苯環(huán)的衍生化。

連接子與Mep基團的連接也得到了廣泛的研究。Ingenica研究人員報告說,去甲基Mep類似物保留了強大的細胞毒性活性,可被視為有價值的有效載荷,允許在仲胺上引入不可切割的馬來酰亞胺己基連接子。

Oncomatryx的研究表明,當Mep被另一個擁有仲胺的基序取代時,通過氨基甲酸酯鍵引入可切割的連接體是產(chǎn)生ADC的有效途徑。特別有趣的是,基因泰克關(guān)于通過季銨基團將連接子連接到含叔胺的有效載荷上。在有效載荷上引入mc-Val-Cit-PABA連接子導致更多親水性結(jié)合物并改善了血液中的穩(wěn)定性。西雅圖遺傳學也采用了同樣的方法,通過過度表達葡萄糖醛酸,葡萄糖醛酸連接子也可以改善親水性和選擇性的細胞內(nèi)切割通過癌細胞中過表達的β-葡萄糖醛酸酶。

隱粘菌素

隱粘菌素(Cryptomycins,CR)是一個具有抗腫瘤活性的六元大環(huán)二肽家族。已有的臨床試驗的結(jié)果表明,在達到治療效果所需的劑量下,其毒性水平是不可接受的。

幾個小組嘗試將CR用于ADC,但是由于在CR中缺少偶聯(lián)位點,目前,有兩種不同的方法通過引入其它基團,使得能夠連接ADC的連接子。一種是由基因泰克的研究人員將苯轉(zhuǎn)化為芐胺以產(chǎn)生有效的有效載荷,這種有效載荷適合通過氨基甲酸酯鍵連接。在第二種方法中,四川大學的研究人員利用了隱霉素-52的前藥形式(CR55),它可以在生理條件下重新環(huán)化為CR52。

抗有絲分裂EG5抑制劑

紡錘體驅(qū)動蛋白(KSP,也稱為Eg5或KIF11)是一種ATP依賴性運動蛋白,參與細胞周期中心體的分離。因此,用KSP抑制劑(KSPis)阻斷有絲分裂中的這一重要事件可產(chǎn)生抗腫瘤效力。

拜耳發(fā)現(xiàn)了一個新的吡咯亞類的KSPis,他們研究了該分子不同位置與保持對KSP強親和力的連接子的連接兼容性。

同樣,諾華的研究人員使用含咪唑的KSP抑制劑作為Eg5 ADC。利用伯醇或仲酰胺部分,他們安裝了帶有馬來酰亞胺端基的不可裂解連接子。當與靶向HER2和c-KIT的抗體偶聯(lián)時,得到的ADC顯示出優(yōu)于Kadcyla的體內(nèi)療效。

2． DNA損傷藥物

吡咯苯并氮卓類和吲哚氯苯并氮卓類

吡咯并[2,1-c][1,4]苯二氮雜卓(PBD)是一類具有抗腫瘤活性的天然產(chǎn)物。它們的作用方式是在DNA的小凹槽中進行選擇性烷基化,其中鳥嘌呤的N2與PBD上的親電N10/C11亞胺形成共價鍵。

西雅圖遺傳學使用SGD1882的苯胺作為附著點,模仿可切割連接子中常用的PAB單元,釋放自由的PBD有效載荷。StemCentrx與Spirogen合作,利用PBD的N-10位置連接一個氨基甲酸酯的連接子。同樣的氨基甲酸酯鍵也被Immunogen用于結(jié)構(gòu)相似的吲哚氯苯偶氮卓二聚體(IBD)有效載荷。他們還報道了同一類IBD的不同方法,其中一個取代的苯環(huán)被用作兩個IBD單體的C8/C8'位置之間的連接物。

以類似的方法,Spirogen和Genentech設(shè)計了一種碘苯連接的PBD,允許在過渡金屬催化反應中引入不同的連接子。通過使用Sonogashira偶聯(lián)、Buchwald–Hartwig偶聯(lián)或疊氮化物-炔烴點擊反應,分別獲得炔烴、哌嗪或三唑連接的連接子有效載荷共軛物。

杜卡霉素

杜卡霉素是一種強大的細胞毒性物質(zhì),通過其高活性的環(huán)丙烷環(huán)與DNA的小凹槽結(jié)合,并在N3位置烷基化腺嘌呤。非環(huán)化的,鹵甲基形式的杜卡霉素細胞毒性活性顯著降低。由于分子中苯酚基團可作為內(nèi)消旋體激活劑,從而形成親電環(huán)丙烷,因此杜卡霉素ADC開發(fā)中的連接策略集中于酚官能團的連接子連接。

在Synthon開發(fā)的SYD985中,苯酚基團是通過雙氨基甲酸酯連接連接子與Mc-val-cit-PABC有效載荷的位置。組織蛋白酶B裂解后,游離苯酚促進分子內(nèi)重排成親電環(huán)丙基形式。Medarex采用了一種不同的方法,通過分子非烷基化部分的芳香胺連接連接子,并用N-甲基哌嗪氨基甲酸酯部分掩蔽苯酚前藥。在體內(nèi),苯酚將被釋放,隨后活性環(huán)丙烷將在羧酸酯酶的作用下形成。

喜樹堿

喜樹堿(CPT)及其衍生物是拓撲異構(gòu)酶I抑制劑的經(jīng)典例子。它們穩(wěn)定了拓撲異構(gòu)酶誘導的DNA單鏈斷裂,當三元DNA-TOP1-抑制劑復合物遇到復制叉時,DNA發(fā)生雙鏈斷裂。天然喜樹堿是一種五環(huán)結(jié)構(gòu),其極低的溶解性阻止了其作為癌癥治療藥物的廣泛應用。其水溶性前藥伊立替康獲得了轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌的上市許可。SN-38是伊立新坦的活性代謝物,通過人體肝臟羧酸酯酶的作用在體內(nèi)生成,其可通過打開內(nèi)酯環(huán)而失活。

Immunomedics建立了兩種不同的策略,通過其羥基部分結(jié)合SN-38。在一個例子中,連接子通過反應性更強的C-10苯酚基團連接,從而產(chǎn)生穩(wěn)定的氨基甲酸酯鍵,而在另一個例子中,通過C-20羥基,同時穩(wěn)定內(nèi)酯形式,而C-20羥基對體內(nèi)效力至關(guān)重要。

另一種適合ADC的非常有效的藥物是依沙替康(DDX-8951f)。這種喜樹堿類似物在其環(huán)己烷環(huán)上具有胺取代基,橋接7和9位。依沙替康的氨基有助于其水溶性,而環(huán)己烷環(huán)賦予的剛性被認為有利于活性內(nèi)酯形式與非活性水解羥基酸的平衡。氨基羥基乙酰化生成DXd(1),而4-氨基丁�；�生成DXd(2),這兩種化合物都保留了依沙替康的生物活性。

懸垂的羥基和氨基是明顯的附著點,可使用酶可切割的Gly-Gly-Phe-Gly四肽連接子連接有效載荷。與抗HER2抗體偶聯(lián)產(chǎn)生的ADC在臨床環(huán)境中顯示出對抗HER2表達癌癥的巨大潛力。

DXd的環(huán)己胺環(huán)雖然被認為穩(wěn)定了生物活性內(nèi)酯形式,但它攜帶了一個手性中心,使合成工作和SAR研究復雜化。為了克服這一困難,Immunogen的研究人員研究了一組新的喜樹堿類似物,這些類似物能夠與單抗偶聯(lián)。并且在這里,這個環(huán)被打開,額外的手性中心被消除。從一種常見的中間產(chǎn)物開始,研究人員嘗試了三種類型的結(jié)構(gòu),并隨后使用不同的聚苯胺連接子連接有效載荷。當與抗人表皮生長因子受體(HuEGFR)的抗體偶聯(lián)時,產(chǎn)生的ADC對EGFR陽性的HSC-2腫瘤異種移植模型有效。

卡奇霉素

卡奇霉素是一類被廣泛研究的烯二炔類抗生素,其結(jié)構(gòu)和作用機制特別有趣和復雜,使其成為ADC有效載荷領(lǐng)域的一類抗生素。在ADC中連接calicheamicin的策略以市場上的adc Mylotarg為例,還有Besponsa。

有效載荷的釋放分兩步進行:在酸性細胞內(nèi)環(huán)境中對腙進行敏感的裂解,然后通過細胞內(nèi)谷胱甘肽還原二硫鍵。釋放的硫醇發(fā)生分子內(nèi)1,4-加成的烯酮觸發(fā)伯格曼環(huán)化反應,產(chǎn)生一個二自由基。這種活性中間體能夠從脫氧核糖骨架中提取氫原子,產(chǎn)生雙鏈DNA斷裂,進而導致細胞死亡。

最近,從不列顛哥倫比亞地衣中發(fā)現(xiàn)的鏈霉菌中分離出一種新的烯二炔類天然產(chǎn)物,稱為uncialamycin。這種結(jié)構(gòu)通過全合成得到證實,從那時起,一些高效的合成類似物被制備成ADC的潛在有效載荷。

BMS的研究人員表明,由于在各種肽偶聯(lián)條件下反應活性較低,因此,Uncialamycin的仲胺不是一個合適的連接點。研究人員合成了一種類似物,其中一個氨基直接引入到芳香環(huán)上,但這種苯胺的反應性也太弱,不能作為連接子引入的基團。另一方面,使用氨基乙基延伸物安裝脂肪族胺,為連接子提供了合適的連接點。

從后一個有效載荷中,他們使用蛋白酶可切割的二肽和不可切割的連接子制備前體。CD70-ADC具有可切割連接體,對腎癌細胞株具有高度特異性的細胞毒活性,而相應的不可切割ADC在同一細胞株上不具有活性。

最近,為了繼續(xù)這項工作,BMS的研究人員在設(shè)計的、高效的、化學穩(wěn)定的uncialamycin類似物中使用苯酚基作為附著點。使用新開發(fā)的苯酚烷基化,在有效載荷的苯酚基團上添加了一個經(jīng)典的可裂解連接子。將產(chǎn)生的有效載荷與抗體偶聯(lián),其在體外和體內(nèi)均顯示抗原特異性抗腫瘤活性。

3． 創(chuàng)新藥物

凋亡誘導劑(Bcl-xL抑制劑)

抗凋亡Bcl-2家族成員(包括Bcl-xL)的過度表達是癌細胞獲得凋亡抵抗的機制之一。能夠阻斷Bcl-xL上BH3結(jié)合域的藥物可以觸發(fā)癌細胞凋亡。2017年,AbbVie首次以ADC的形式展示了BcL-xL抑制劑的有效載荷,其靶向表達EGFR的特定細胞或組織。有趣的是,研究人員在有效載荷上使用了三個不同的連接點來連接可切割的連接子。氨基烷基延伸的核心修飾用于在需要時建立合適的連接位點。

泰蘭司他丁及其類似物

靶向剪接體是一種參與mRNA加工的大型核糖核蛋白復合物,為靶向癌癥治療提供了一種有希望的治療選擇。有幾種天然產(chǎn)物能夠通過與不同的剪接體亞單位結(jié)合來抑制RNA剪接。最具代表性的是thailanstatin A,它可以與剪接體的SF3b亞單位結(jié)合,從而阻止RNA剪接。

Thailanstatin A缺乏一個適合連接連接子的基團。為了解決這個問題,將羧酸與乙二胺偶聯(lián)以引入含有胺的間隔基,該間隔基通常用于連接子的安裝。

將這種天然產(chǎn)物用于ADC的另一個困難是存在多種反應性功能。例如,中心核中的二烯可以通過Diels–Alder反應與用于生物結(jié)合的馬來酰亞胺部分反應。這個問題是通過使用另一個共軛部分,鹵代乙酰胺來解決的。結(jié)合這兩種修飾并包含可切割連接子的ADC首次在專利文獻中報道,并且聲稱它們在幾個表達HER2的細胞系中具有適度的活性。

最近,輝瑞報告說,羧酸直接與抗體的有效表面賴氨酸(無連接子偶聯(lián))結(jié)合導致迄今為止最有效的Thailanstatin ADC。這些賴氨酸偶聯(lián)物的活性與藥物負載有關(guān),而其他有效載荷類通常沒有觀察到這種特性。ADCs在胃癌異種移植模型中顯示出良好的作用。

鵝膏毒素

在ADC技術(shù)領(lǐng)域,使用類似amatoxins的轉(zhuǎn)錄抑制劑是一種相對較新的方法。九種天然存在的amatoxin衍生物具有相同的骨架結(jié)構(gòu),一個由八個L-構(gòu)型氨基酸組成的大環(huán),通過亞砜部分連接在色氨酸和半胱氨酸殘基之間。amatoxins的三個側(cè)鏈是羥基化的,OH基團具有良好的水溶性并與目標分子結(jié)合。兩種肽,α-鵝膏糖蛋白和β-鵝膏毒素,占所有毒素的90%。

在amatoxins上共使用過三個附著點產(chǎn)生ADC。第一次嘗試是將β-鵝膏毒素的羧基偶聯(lián)到IgG上賴氨酸的氨基,這種連接具有良好的血漿穩(wěn)定性和高細胞毒性,但這種生物偶聯(lián)的產(chǎn)率很低。二氫異亮氨酸的羥基也被認為是一個連接點,引入谷胱甘肽作為連接子,然后通過賴氨酸結(jié)合,可獲得體外細胞毒性和體內(nèi)抗腫瘤活性優(yōu)異的ADC,但不幸的是,由于血清羧酸酯酶裂解連接子,導致其循環(huán)穩(wěn)定性差。第三種方法,附著于色氨酸的6-羥基代表了目前的標準程序,苯酚與各種連接子的醚化導致了高度穩(wěn)定和有效的ADC。由于鵝膏毒素其它氨基酸要么不具化學活性,要么是與RNA聚合酶II結(jié)合的關(guān)鍵,因此不能將其它的鵝膏毒素氨基酸(即羥脯氨酸、甘氨酸、異亮氨酸和半胱氨酸)用于偶聯(lián)。

基于amanitin的代表性的ADC為HDP-101。有效載荷本身是一種合成的金剛烷醇衍生物,優(yōu)化了穩(wěn)定性。與天然天麻素相比,兩個差異是色氨酸中沒有6′-OH,硫醚鏈取代亞砜。通過天冬氨酸側(cè)鏈上酰胺的形成,引入組織蛋白酶B-裂解連接子。

最近,Park及其合作者為含苯酚的有效載荷設(shè)計了一種新的連接基序(OHPAS)。它是一種二芳基硫酸鹽,一個芳基部分來自有效載荷,另一個來自連接基序的潛在苯酚基團。將該技術(shù)應用于曲妥珠單抗ADC中的a-鵝膏毒素,在體外和體內(nèi)表現(xiàn)出強大的細胞毒性。

煙酰胺磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶

煙酰胺磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶(NAMPT)是一種負責將煙酰胺轉(zhuǎn)化為煙酰胺單核苷酸的酶,其抑制劑在各種臨床前和臨床研究中顯示出有效性,但其臨床應用受到靶向毒性和劑量限制性毒性的限制,如血小板減少和胃腸道不良反應。

諾華公司的研究人員在NAMPT抑制劑有效載荷中的苯環(huán)對位中引入哌嗪部分,確定了合適的連接子附著點。這種分子在c-Kit和HER2表達細胞系上表現(xiàn)出納摩爾水平的效力,并且耐受性良好,在體內(nèi)表現(xiàn)出靶向依賴性。

卡馬霉素

從庫拉索菌中分離得到兩種新的蛋白酶抑制劑,卡馬霉素A和卡馬霉素B。兩者都具有亮氨酸衍生的α,β-環(huán)氧酮彈頭直接連接到甲硫氨酸亞砜或甲硫氨酸砜。他們被發(fā)現(xiàn)能抑制釀酒酵母20S蛋白酶β5亞單位活性(糜蛋白酶樣活性)。此外,它們對肺癌和結(jié)腸癌細胞株具有很強的細胞毒性。

然而,由于它們的高效價,它們的選擇性較差,經(jīng)常表現(xiàn)出毒副作用。因此,劇毒的卡馬霉素衍生物適合作為ADC的彈頭,可以保持所需的效力,并獲得更好的耐受性。所設(shè)計的類似物均在P2位置并入砜甲硫氨酸衍生物(如卡馬霉素B),而不是卡馬霉素A中的亞砜甲硫氨酸,因為這消除了亞砜基立體異構(gòu)體混合物產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)復雜性。

第一代類似物在P4末端含有胺基,不幸的是,這個附著點并不合適,因為有效載荷顯示細胞毒性活性降低。第二代卡馬霉素類似物在P2側(cè)鏈上含有一個胺基,當短乙基氨基鏈延伸磺酰基時,效果最好。在第三代類似物中,芳基連接砜和胺,因此降低了它的堿性。第二代和第三代有效載荷都顯示出強大的體外活性,并用可切割或不可切割的連接子連接。不幸的是,沒有一種ADC對受試癌細胞系表現(xiàn)出比曲妥珠單抗更高的細胞殺傷能力。