PDC：新一代癌症靶向药赛道前景广阔
文摘
科学
2023-04-07 09:18
北京
药物偶联物概念起源于20世纪初。1910年，Paul Ehrlich提出了“Magic Bullet”（魔法子弹）理论，旨在描绘一种可以选择性地杀死恶性细胞而不伤害正常组织的药物的概念，即借助这些“子弹”可将药物输送到特定部位。1957年，Mathé首次将甲氨蝶呤与抗白血病1210抗原免疫球蛋白偶联用于治疗白血病，由此拉开了药物偶联物的研究序幕。ADC作为药物偶联物的最初并且是最典型代表，以抗体作为载体，形成抗体-药物偶联物，将抗体和细胞毒性药物（有效载荷）递送到癌细胞。ADC发展简史见下图。![]( "图片")
图1 抗体-药物偶联物时间轴数据来源：Fu, Z., Li, S., Han, S. et al. Antibody drug conjugate: the “biological missile” for targeted cancer therapy. Sig Transduct Target Ther 7, 93 (2022).
如图所示，1967年，抗体-药物偶联物（Antibody-drug conjugate，ADC）概念被正式提出。1975年由Georges J. F. Köhle和Cesar Milstein发明的单抗的杂交瘤技术在抗体的发展历程中起到至关重要的影响。随后越来越多的单抗不断获批上市，如曲妥珠单抗、利妥昔单抗、西妥昔单抗等，由此开启了治疗性抗体技术的新时代[1]。然而，单抗虽能精确靶向肿瘤表面抗原治疗癌症，但其对癌细胞的杀伤力普遍低于化疗药。为了进一步结合单抗的靶向性和细胞毒性药物杀伤力优势，80年代起，ADC的研究被持续推进。2000年全球首个ADC药物吉妥珠单抗（Gemtuzumab）成功获批上市。实际上，药物偶联物的载体除了抗体，还可以为肽、蛋白质、小分子药物和核酸适配体等[2]，基本结构由Carrier、linker和Payload构成，见下图。
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图2 药物偶联物结构
数据来源：Chavda, V.P.; Solanki, H.K.; Davidson, M.; Apostolopoulos, V.; Bojarska, J. Peptide-Drug Conjugates: A New Hope for Cancer Management. Molecules 2022, 27, 7232.
以不同载体区别药物偶联物，可以分为多肽偶联药物（Peptide-drug conjugate，PDC）、核素偶联药物（Radionuclide drug conjugates，RDC）、抗体寡核苷酸偶联药物（Antibody-oligonucleotide conjugates，AOC）、抗体降解偶联药物（Antibody degraducer conjugates，ADeC）、病毒样偶联药物（Virus-like drug conjugates，VDC）、抗体生物聚合物偶联药物（Antibody-biologic conjugates，ABC）、抗体细胞偶联药物（Antibody-cell conjugation，ACC）、核酸适体偶联药物（Aptamer drug conjugates，ApDC）、抗体片段偶联药物（Antibody fragment-drug conjugates，FDC）、抗体免疫刺激偶联药物（Immune-stimulating antibody conjugate，ISAC）、小分子偶联药物（Small molecule-drug conjugates，SMDC）等。
PDC（Peptide-drug conjugate）即多肽偶联药物，由靶向肽（Carrier）、连接子（Linker）和细胞毒性药物的有效载荷（Payload）构成。其中，靶向肽一般可分为细胞穿透肽和细胞靶向肽，细胞穿透肽跨越细胞膜转运药物，细胞靶向肽能特异性地与靶细胞上的受体结合。PDC作为一种新型的药物偶联物，不仅保留了肽的功能和生物活性，而且具有Linker的可裂解特性，可以响应性地释放药物。相较于ADC，PDC通过肽的直接渗透或介导的内吞作用进入细胞，然后刺激可裂解接头裂解，导致药物释放，具体作用机制如下图所示[3]。
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图3 PDC作用机制
数据来源：Gong L, Zhao H, Liu Y, et al. Research advances in peptide‒drug conjugates[J]. Acta Pharmaceutica Sinica B, 2023.
由上图可知，PDC作用机制主要取决于靶向肽和Linker，如前所述，可裂解接头可在特定pH或酶的刺激下裂解，以释放细胞毒性药物。但Linker的切割可发生在细胞内及细胞外，当在细胞外切割时，细胞毒性药物需经扩散至细胞内，才可发挥其生物活性。因此，在设计PDC时，需考虑细胞外切割情况，确保实现PDC靶向肿瘤细胞。
PDC作为一种新型的药物偶联物，相较于ADC，具有以下优势：★ 多肽类药物分子量小，更易穿透肿瘤基质进入到肿瘤细胞当中发挥抗肿瘤作用。★ 大多数多肽序列与人同源、免疫原性较低，不易引起免疫反应。★ 由于PDC更强的肿瘤穿透性，因此其细胞毒性药物选择性更广泛。近年来，随着蛋白质组学、多肽固相合成和噬菌体展示技术的快速发展，越来越多的新型多肽被设计出来，极大地促进了PDC中的肽载体进展。目前，根据肽的功能可分为细胞穿透肽（Cell-penetrating peptides，CPP）、细胞靶向肽（Cell-targeting peptides，CTP）、自组装肽（Self-assembling peptides，SAP）和响应肽。其中，用于构建PDC的肽主要为细胞穿透肽和细胞靶向肽。CPP通常是由5~30个氨基酸组成的短肽，是一种阳离子肽、疏水肽或两亲性肽。CPP根据其结构又可分为线性细胞穿透肽和环细胞穿透肽。其中，线性细胞穿透肽结构更简单，更容易合成。CPP主要通过内吞作用或直接易位穿透细胞膜，直接易位是由带正电荷的CPP与带负电荷的膜组分和磷脂双层相互作用介导，以促进细胞膜的直接渗透，该过程为非耗能过程；而内吞作用则属于能量依赖性途径的穿透细胞膜，具体有三种途径：巨胞吞作用、洞穴介导的内吞作用（CvME）和网格蛋白介导的内吞作用（CME）。目前，已经鉴定了1700多个CPP[4]，其中，用于构建PDC的代表性CPP如下表所示。![]( "图片")
数据来源：药渡咨询团队整理
CTP定义为显示细胞或组织特异性结合活性的肽，是PDC中使用的第二类肽。CTP对肿瘤细胞的抗原或受体具有高特异性亲和力，可与肿瘤细胞上过表达的抗原或受体结合，以介导细胞毒性药物进入肿瘤细胞。用于构建PDC的CTP如下表所示[4]。![]()
数据来源：药渡咨询团队整理SAP定义为依靠分子间相互作用从复杂混合物中自发地或触发地形成一个或多个有序结构的肽，分子间相互作用包括氢键、静电相互作用、π-π堆积、范德华力、分散力、熵力等。SAP与普通肽相比，具有生物相容性、生物降解性和多功能性等优点。
响应性肽定义为响应外部环境刺激而发生结构变化的肽，外部环境刺激包括温度、pH值、酶等。因此，根据外部环境刺激的不同，可分为温度响应肽、pH响应肽、酶响应肽。
PDC中的Linker是将小分子药物与肽连接起来并保持PDC的结构完整性的重要组成部分，应根据其在循环中的稳定性合理的Linker，以免药物过早的释放，同时确保药物到达靶细胞后能快速有效的释放药物。理想的Linker应具备3个关键特征：第一，需具有很高的水溶性，以促进生物偶联，且不影响载体对其受体的亲和力。第二，体内运输扩散具有足够的稳定性，以免过早释放药物；第三，具有足够的消除活性，以便在靶点位置高效释放载荷。Linker可分为两大类：可裂解和不可裂解。不可裂解的Linker是指相对稳定且在血液循环过程中不会断裂的接头，与可裂解的Linker相比，不可裂解的Linker具有更好的血浆稳定性、更低的脱靶毒性、更大的治疗窗口和更好的耐药性。
可裂解的Linker按裂解机理可分为pH响应接头、酶响应接头、氧化还原反应响应接头和非共价相互作用接头[2]。
数据来源：Chavda, V.P.; Solanki, H.K.; Davidson, M.; Apostolopoulos, V.; Bojarska, J. Peptide-Drug Conjugates: A New Hope for Cancer Management. Molecules 2022, 27, 7232.
由上图可知，pH响应接头通常指酸敏感接头，即在酸性环境下裂解。由于肿瘤微环境是弱酸环境（pH 6.5-6.9），因此PDC的Linker常用pH响应接头，实现药物的释放。目前，pH响应接头中最常用的结构是腙键，其他结果包括亚胺、顺式乌头基、缩酮/缩醛键等。酶响应接头指在特定酶存在下裂解和释放药物的接头，通常包括化学键接头和肽序列接头。化学键的酶响应接头包括酯键、酰胺键和氨基甲酸酯键，酶响应接头的化学键不同，裂解的条件也不同，如酯键裂解需在酯酶存在、酰胺键裂解需酰胺酶存在等。肽序列接头如Gly-Phe-Leu-Gly（GFLG），在蛋白酶条件下可水解断开以释放药物。氧化还原反应响应接头指采用二硫键、硫醚键、硒醚键和二硒键等具有强还原敏感性的化学键作为连接键，当在肿瘤细胞的过度还原微环境下，这类氧化还原反应响应接头的还原响应释放机制可以加速药物在靶细胞处释放。PDCs的有效载荷是具有细胞毒性或治疗作用的药物，理想的有效载荷应具备以下特征：★ 超高细胞毒性，通常选择有效载荷应具有低IC50，并且在亚纳摩尔浓度下能杀死靶细胞。★ 适当的疏水性，适当疏水性Linker与疏水性Payload的结合经常会促进PDC复合物的积累。 PDC构建中应用的有效载荷药物可分为化学药物、蛋白质药物和多肽药物。其中，化学药物和蛋白质药物的有效载荷较为常见，化学药物以阿霉素（DOX）、紫杉醇（PTX）、喜树碱（CPT）、甲氨蝶呤（MTX）、顺铂（Pt）和阿糖胞苷为代表；蛋白质药物以干扰素和肿瘤坏死因子为代表。截止2023年3月，全球范围内获批上市的PDC药物仅有2个，即Lutathera®和Pepaxto®。
Lutathera®（Melphalan Flufenamide）由诺华子公司Advanced Accelerator
Applications S.A开发的一种靶向SSTR2的PDC，最早于2017年9月获EMA（European Medicines Agency）批准上市，并用于治疗神经内分泌瘤。Pepaxto®（Lutetium (177Lu) oxodotreotide）由Oncopeptipes开发的一种靶向氨肽酶的PDC，最早于2021年2月获FDA（Food and Drug
Administration）批准上市，并用于治疗多发性骨髓瘤；同年10月份Oncopeptides宣布将Pepaxto®撤出美国市场，主要是因为Pepaxto®在验证性OCEAN研究中出现死亡率增高的现象。2022年8月，Pepaxto®获EMA批准上市。
目前，PDC领域仍处于发展洼地。据调研，全球在研PDC药物总计53个，临床阶段在研品种共计17个。其中，临床III期品种3个、临床II期品种9个、临床I期品种5个。图5 全球PDC药物各阶段在研数量统计
数据来源：药渡咨询团队整理
将全球PDC临床在研品种的靶点、原研公司、研发状态、适应症信息进行整理，如下表所示。注：完整药物列表，请添加二维码索取
由上图可知，全球临床在研在17个PDC品种中，靶点主要集中在Tubulin（4个）、CA9（2个），其他靶点均只有1个在研品种。中国临床在研品种有6个，其中有5个为中国本土企业研发，涉及企业包括同宜医药、博瑞生物医药、高瑞耀业。PDC利用载体细胞穿透肽或细胞靶向肽的膜渗透或受体介导的跨膜作用，有效地内化到细胞中后，再通过特定响应环境刺激或酶促作用刺激的Linker裂解，并释放有效载荷以发挥药物治疗作用。目前，PDC仍处于研究发展的前沿，未来发展方向主要体现在PDC药物本身以及临床应用上，具体如下所示： 肽的生物半衰期有限，导致PDC进入靶细胞的时间有限；同时肽的肾清除率快，通常分子量小于25 kDa的肽会从肾小球中滤出，不会被肾小管重吸收。目前已有多种方法可延长肽的半衰期及降低肽的肾清除率；如将PDC与金纳米颗粒或脯氨酸/丙氨酸/丝氨酸等生物聚合物偶联[5]。 自主装纳米结构PDC通常可自组装成纳米管、纳米颗粒和纳米纤维等不同纳米结构，具有选择性靶向、血液循环时间长，控释和精确的负载能力等优点，并可显著提高药物的疗效。如澳门大学的Wang设计了一种自主装肽的CPT-肽偶联物，不仅解决了CPT在生理环境中溶解度差的问题，降低了CPT的副作用，而且延长了CPT的原位半衰期[6]。目前PDC药物均不能口服，严重影响了PDC的临床应用及药物依从性。因此，有必要开发允许口服的PDC。 通常只要药物满足PDC构建要求，就可针对疾病构建相应的PDC。因此，随着PDC药物研究的进展，未来PDC药物除用于治疗各种癌症，还可用于炎症、细菌感染、镇痛、疟疾、糖尿病等。
PDC是一种等效的抗体-药物偶联物，其克服了ADC的一些局限性，具有肿瘤渗透性强、免疫原性低、易于结构修饰和生产成本低等优点。尽管PDC具有较多独特的优势，但其临床转化仍存在诸多挑战和障碍，例如稳定性差、生物活性不确定和易被肾脏清除。相信随着肽筛选技术、合成技术等相关技术的进步和成熟，PDC药物将迎来黄金发展期，改善难治性肿瘤患者甚至更多难治性疾病患者的预后。
[1]Fu, Z., Li, S., Han, S. et al. Antibody drug conjugate: the “biological missile” for targeted cancer thera-py. Sig Transduct Target Ther 7, 93 (2022).[2] Chavda, V.P.; Solanki, H.K.; Davidson, M.; Apostolopoulos, V.; Bojarska, J. Peptide-Drug Conjugates: A New Hope for Cancer Management. Molecules 2022, 27, 7232.[3] Gong L, Zhao H, Liu Y, et al. Research advances in peptide‒drug conjugates[J]. Acta Pharmaceutica Sinica B, 2023.[4] Yang Y, Wang S, Ma P, Jiang Y, Cheng K, Yu Y, Jiang N, Miao H, Tang Q, Liu F, Zha Y, Li N. Drug conjugate-based anticancer therapy - Current status and perspectives. Cancer Lett. 2023 Jan 1;552:215969.[5] Heh, E.; Allen, J.; Ramirez, F.; Lovasz, D.; Fernandez, L.; Hogg, T.; Riva, H.; Holland, N.; Chacon, J. Peptide Drug Conjugates and Their Role in Cancer Therapy. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 829. https://doi.org/10.3390/ijms24010829[6] Fang, Y.; Wang, H. Molecular Engineering of Peptide–Drug Conjugates for Therapeutics. Pharmaceutics 2022, 14, 212. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14010212[2] Chavda, V.P.; Solanki, H.K.; Davidson, M.; Apostolopoulos, V.; Bojarska, J. Peptide-Drug Conjugates: A New Hope for Cancer Management. Molecules 2022, 27, 7232.[3] Gong L, Zhao H, Liu Y, et al. Research advances in peptide‒drug conjugates[J]. Acta Pharmaceutica Sinica B, 2023.[4] Yang Y, Wang S, Ma P, Jiang Y, Cheng K, Yu Y, Jiang N, Miao H, Tang Q, Liu F, Zha Y, Li N. Drug conjugate-based anticancer therapy - Current status and perspectives. Cancer Lett. 2023 Jan 1;552:215969.[5] Heh, E.; Allen, J.; Ramirez, F.; Lovasz, D.; Fernandez, L.; Hogg, T.; Riva, H.; Holland, N.; Chacon, J. Peptide Drug Conjugates and Their Role in Cancer Therapy. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 829. https://doi.org/10.3390/ijms24010829[6] Fang, Y.; Wang, H. Molecular Engineering of Peptide–Drug Conjugates for Therapeutics. Pharmaceutics 2022, 14, 212. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14010212
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