抗体-药物偶联物(ADC)已成为一种很有前景的癌症治疗药物。ADC由单克隆抗体、通过化学连接物连接的有效细胞毒性载荷组成。这种分子设计结合了抗体的靶点特异性和长循环半衰期，以及单独使用时毒性太大的抗肿瘤药物的高细胞毒性效力。因此，与常规化疗相比，ADC药物可增强抗肿瘤疗效，从而改善临床获益和生活质量结局。
在过去几年中，人们对该治疗方法的兴趣呈指数级增长。目前，FDA批了11种ADC药物应用于20种不同的适应证。特别是在近3年内批准了4种新的ADC药物，此外还有100多种不同的ADC药物正在临床试验中。一项经济分析显示，全球ADC市场规模将迅速增长:2022年为78.2亿美元，预计2023-2030年复合年增长率为11.2%。
在2024年3月份Nature杂志上发表的“Exploring the next generation of antibody–drug conjugates”1这篇综述中，概述了ADC的基本分子设计，以及每个组成成分(抗体、连接体、有效载荷和偶联化学)如何影响最终产品的理化和生物特性，其中包括细胞内有效载荷运输和代谢、抗肿瘤活性和安全性等。此外还讨论作为下一代癌症疗法处于临床前和临床开发早期阶段的新型ADC设计案例，包括双特异性ADC、前体-药物偶联物(PDC)、免疫刺激ADC(ISAC)、蛋白降解ADC(DAC)和双药ADC。
本期就分享和学习该综述关于ADC的分子结构。
ADC药物设计
ADC的设计原则是通过优化每个结构成分而发展起来，其结构组成包括:即抗体、细胞毒性有效载荷4和连接这些成分的化学连接体。
Bispecific ADCs：双特异性ADCs PDC：抗体前药偶联物 ISAC：免疫刺激ADCs DAC：蛋白质降解ADCs Dual-drug ADC：双药物ADC 注：关于各种ADC类型的介绍见“参考文献及相关信息2”
抗体和靶点选择
在现有的多种抗体中，人源化和全人源化IgG是最常用的ADC骨架。
1.有些ADC使用的抗体亚型是IgG4(例如：吉妥珠单抗3-1和奥英妥珠单抗3-2)。
2. 不过，目前还是优先考虑使用IgG1抗体,原因如下：
1）IgG1抗体在体内循环中普遍稳定(消除半衰期4-1是14-21天)；
2）IgG1抗体通过与Fcγ受体(FcγRs)的相互作用，并与天然免疫细胞(如NK细胞和巨噬细胞)密切结合；
3）使用人来源IgG1有助于降低ADC的整体免疫原性，从而最大限度降低超敏反应和形成抗药物抗体(ADAs)4-2的风险。
目前大多数ADC在恒定重链的N297是一个N-连接的聚糖以便FcγR结合。这些聚糖和甘露糖受体之间的相互作用可以驱动肝细胞对ADC的非特异性摄取。（小编备注：所有天然存在的IGG和重组抗体均在重链CH2恒定区中的每一个的位置297处具有氨基酸天冬酰氨酸ASN297，其为一个N-糖基化位点。）
1. 根据ADC特定药代动力学或药效学参数(如有效载荷效力、持久性和生物分布)，在未来可能的趋势是使用糖基化单克隆抗体。 2. 如果对比增强药效，优先考虑药物对于肝脏毒性和炎症反应发生率的减少，糖基化更具有优势。 3. 由于热不稳定性，糖基化抗体可能容易发生结构畸变；但2022年发表的数据表明，将小分子有效载荷连接到Fc区域的CH2结构域可以补偿这种不稳定性。 理想的ADC骨架是只识别癌细胞表面抗原的抗体，并且非肿瘤区域完全不被识别。
为了进一步增强ADC的肿瘤特异性，希望未来的抗体能够识别具有结构变异的肿瘤特异性抗原变异体，如截短、切短(由肿瘤相关蛋白酶引起的肽键断裂)和其他独特的翻译后修饰(例如EGFR变异体III，切短的TROP2和糖基化PD-L1)。 除了抗原表达谱外，ADC内化和周转率对疗效也有重要影响。 抗原结合亲和力的优化也是ADC功效最大化的关键一步。 1. 但是，抗原结合力过强会导致ADC分子滞留在肿瘤细胞表面，从而限制了组织渗透的程度(结合位点屏障效应的现象)。
2. 必须仔细选择ADC的抗体骨架，考虑到这些不同的参数，以确保最佳性能。
有效载荷4-3
ADC使用的有效载荷通常比常规化疗毒性大得多
目前FDA批准的ADC有效载荷包括：
1. 抗有丝分裂药物，如MMAE3-3、MMAF3-4和美坦新衍生物DM1和DM43-5
2. DNA损伤药物，如卡奇霉素3-6和吡咯并苯二氮卓类化合物(PBDs)3-7
3. 拓扑异构酶I抑制剂，如SN-383-8和DXd3-9
目前正在临床前和临床研究中有效载荷，
4. 微管蛋白抑制剂(抗有丝分裂)3-10
5. Duocarmycins (DNA烷化剂)3-11
6. PNU-1596823-12(拓扑异构酶II抑制剂)和鹅膏蕈碱3-13(RNA聚合酶II抑制剂)。
除了这些细胞毒性有效载荷外，免疫调节剂和蛋白质降解物招募分子4-4也成为有前景的新型有效载荷。
大多数有效载荷分子具有中度至高度的疏水性，这是决定ADC疗效和毒性的关键。
1. 除了MMAF、DM1和鹅膏蕈碱等少数例外，疏水有效载荷可以从表达靶标的肿瘤细胞扩散到可能具有有限甚至没有靶标表达的相邻细胞中，这种现象称为旁观者效应。
2. 这种效应对于消灭肿瘤异质性至关重要，其中抗原表达细胞和抗原阴性细胞共存。
3. 疏水载荷也可能对ADC疗效产生负面影响。
1）疏水有效载荷可作为多药耐药蛋白(如MDR1、MRP1和BCRP)的好底物，从而降低某些ADC药物对表达这些转运蛋白的肿瘤的效果。
2）疏水性ADC容易形成聚集体，或者容易在体内迅速清除或者产生免疫原性。
3）过量疏水性已被证明可促进肝脏摄取并引起肝毒性。
有效载荷和ADC疏水性的微调对于克服这些问题至关重要，同时确保保留旁观者效应。
连接体
化学接头的作用是让细胞毒性有效载荷一直附着在抗体上直到达到靶标(图1b)。
存在两种主要连接体类型:不可裂解和可裂解。
1. 不可裂解的连接体 1）由稳定键组成，可抵抗蛋白水解，在体循环中提供极佳的稳定性。 2）"不可裂解连接体+细胞毒性有效载荷"的释放，需要药物抗体的完全内吞和消化。 3) 细胞溶质和溶酶体蛋白酶促进这一过程，并导致与降解抗体(通常为半胱氨酸或赖氨酸)残基连接的有效载荷分子释放。 2.可裂解连接体 1）被设计为可被肿瘤相关因素降解(例如，与大多数肿瘤或细胞内蛋白酶相关的酸性和/或还原条件）。 2）这些连接体能够在内化到癌细胞后主动释放有载荷，产生细胞毒性，从而最大限度地发挥ADC的效力并促进旁观者效应。 3）二硫键和组织蛋白酶敏感的缬氨酸-瓜氨酸二肽也用于促进此目的。 4）此外，可裂解的连接体存在会提前释放有效载荷到血液循环中的风险，这会导致全身毒性和有效载荷递送效率降低。 连接体的设计需要平衡稳定性和有效性，这是至关重要。
过往的研究工作集中于开发更稳定的可裂解连接体，如：
1.T-DXd中使用的GGFG四肽连接体 2. 组织蛋白酶反应性三肽连接体 3. β-葡糖醛酸苷酶，硫酸酯酶，磷酸酶和天冬酰胺内肽酶等裂解的连接体。
共轭4-5和均质性4-6
除了上面讨论的结构成分外，在生物偶联中均质性高可最大限度地延长ADC的治疗效果。
大多数ADC传统上使用半胱氨酸-马来酰亚胺烷基化或不太常见的赖氨酸-酰胺偶联来构建(图1C)。
1. 除了部分例外的药物(如T-DXd3-14和戈沙妥珠单抗3-15)，采用这种随机偶联的方法会导致ADC异质混合，有效载荷附着位点和DAR各不相同。 2. 由于DAR高的疏水成分会被快速清除，ADC的异质性会导致有效载荷的交付效率减低，因此生产时需要严格的控制来减少变化。 3. 为了克服这些限制，各厂家致力于研发特异性位点的结合方法，以生产具有确定DAR且批次均质的ADC。 均质偶联技术好的案例包括：
1.链间二硫化物的全烷基化(用于T-DXd3-14和戈沙妥珠单抗3-15)； 2. THIOMAB80(一种涉及基因掺入半胱氨酸残基的偶联方法) 3. 掺入非天然存在的反应性氨基酸 4. 半胱氨酸桥接 5. Fc亲和标签以及使用各种酶(如工程糖苷酶、转谷氨酰胺酶、甲酰甘氨酸生成酶和分选酶)(图1c)。
2. 各种提到的各种ADC药物类型简单介绍：
1) ADC：是Antibody–Drug Conjugates的缩写，中文翻译为抗体偶联药物。 它通过连接子将具有细胞毒活性的药物（有效载荷）偶联至抗体药物组合而成的“生物导弹”。ADC药物在进入血液后，其抗体部分将识别并结合靶细胞的表面抗原。
2) Bispecific ADCs：双特异性ADCs，是指将双特异性抗体（BsAbs）与连接子-有效载荷复合物进行偶联，从而产生了双特异性抗体偶联药物（BsADCs）
1）吉妥珠单抗：Gemtuzumab Ozogamicin，是一款治疗白血病的药物，由美国辉瑞公司研发，2017年经过美国FDA的批准上市，用于治疗表达CD33抗原的新诊断急性骨髓性白血病（AML）的成人患者。这款ADC药物含有可以靶向CD33的单克隆抗体和与之连接的细胞毒素卡奇霉素Calicheamicin。CD33是一种在成髓细胞表面表达的抗原，在多达90%的AML患者中都存在。当Mylotarg与CD33抗原结合时，它可以被吸收进细胞，然后在癌细胞内释放卡奇霉素将其杀死。
2）奥英妥珠单抗：Inotuzumab Ozogamicin，由美国辉瑞公司研发，是一种具有靶向作用的抗体药物，结合了一种常用的化疗药物哌拉西林Calicheamicin。它通过结合于白细胞表面的CD22抗原，将药物运送到白血病细胞中，使哌拉西林释放并破坏白细胞的DNA。这种针对白细胞的靶向治疗方式，使得奥英妥珠单抗能够特异性地杀死白血病细胞，减少对正常造血细胞的损害。
3）MMAE：一甲基澳瑞他汀E，是抗有丝分裂剂，能通过阻断微管蛋白的聚合抑制细胞分裂，在抗体偶联药物（ADC）中颇受关注。MMAE衍生自存在于海洋无壳软体动物Dolabella auricularia中的称为dolastatin的多肽。这些多肽在临床前研究中显示出对多种淋巴瘤，白血病和实体瘤的有效体外和体内活性。
4）MMAF：一甲基澳瑞他汀 F,是一些实验性抗癌抗体-药物偶联物的一部分。
5）美登素是一类苯并大环内酯类化合物，最早从美登木（Maytenus boaria）中提取得到。它可以在根瘤菌素（Rhizoxin）结合位点与微管蛋白结合，起到抑制微管生成的作用。美坦新的衍生物，如DM1，DM3，DM4等被广泛用于临床阶段的ADC结构中，这些衍生物的区别仅仅在于巯基连接位点临近处的甲基数量不同。
6) 卡奇霉素:Calicheamicin 是一种肿瘤抗生素，也是有效的细胞毒性试剂，可引起DNA双链断裂;
7) PBDs:吡咯并苯二氮卓类化合物(PBDS)是一类源自链霉菌属的天然产物，具有很好的抗肿瘤活性，其作用机制为N10-C11的亚胺结构可以共价结合鸟呤的碱基。
8) SN-38 是拓扑异构酶 I (Topoisomerase I) 抑制剂伊立替康的活性代谢产物。
9) Dxd：Exatecan derivative for ADC，是一种有效的 DNA topoisomerase I 抑制剂，可用作靶作用于 HER2 的 抗体偶联药物 ADC (DS-8201a) 的有效载荷。
10）微管蛋白抑制剂：Tubulysins 是一种抗癌和抗血管生成剂，具有抗微管，抗有丝分裂以及对多种癌细胞有效的抗增殖活性。
11）Duocarmycins：从链霉菌中分离出来的强DNA烷基化剂，包括DNA烷基化部分和结合部分。第一个发现的Duocarmycins成员CC-1065通过其高活性的丙烷环与DNA微槽结合，并在N3位置将腺嘌呤烷基化，最终导致细胞死亡。
12）PNU-159682 是蒽环类新霉素的代谢产物,是一种DNA拓扑异构酶 II 抑制剂,具有出色的细胞毒性。
13)鹅膏蕈碱：一种毒菌类鬼笔鹅膏（Amanita phalloides）所生成的具有双环结构的八肽毒素。在真核细胞核内抑制催化合成mRNA，该物与RNA聚合酶Ⅱ（或B）进行特异性结合进行非竞争性抑制，从而抑制磷酸二酯键的形成（RNA链合成的起始和延长）。
14）T-DXd：德曲妥珠单抗，是一款由阿斯利康与日本第一三共联合开发和商业化,专门设计用于靶向HER2的抗体偶联药物(ADC) 。T-DXd由人源化抗HER2单克隆抗体通过稳定的可裂解四肽连接子与拓扑异构酶-I抑制剂(喜树碱类衍生物DXd)连接组成。
15）戈沙妥珠单抗：Sacituzumab Govitecan，是吉利德公司研发的一款抗Trop-2靶点的ADC药物，是全球首个获批的靶向人滋养层细胞表面抗原2（Trop-2）的抗体偶联药物。
1）消除半衰期：药物消除半衰期是指服药后，通过血液循环吸收药物，血液将药物浓度降到一半所需要的时间。药物半衰期具有重要临床意义，主要用于判断药物本身的代谢能力和患者对药物的吸收能力，在新型药物开发阶段临床医生可通过该药物的药物半衰期明确药物在人体内可以起效的时间，从而根据实际情况制定患者每天需要如何用药，同时也可用于开发相同药物的不同剂型。
2）ADAs：蛋白质药物具有潜在的免疫原性，可能诱导人体产生抗药物抗体（Anti-Drug Antibodies，ADAs）。ADAs可能降低药物疗效，或者引起过敏反应，甚至威胁生命。
3）ADC药物有效载荷：指的是抗体偶联药物中与抗体偶联的化学药物部分。
4）蛋白质降解物招募分子：PROTAC（PROteolysis TArgeting Chimera, 蛋白降解靶向联合体）技术便是利用人体自身的泛素-蛋白酶体降解系统，通过应用小分子化合物招募细胞中的E3泛素连接酶，给致癌蛋白打上“泛素化”的标签，从而实现高效特异性的蛋白降解。
5）共轭：即为按一定的规律相配的一对。通俗点说就是孪生。
6）均质性：药品的均质性是指药品在制剂过程中，药物成分的分布均匀性。它是药品质量的一个重要指标，直接关系到药物的疗效和安全性。药品的均一性主要包括物理均一性、化学均一性和生物学均一性。物理均一性是指药品中固、液、气三种状态的药物成分在制剂中分布的均匀性。化学均一性是指药品中化学成分的均匀分布情况。生物学均一性是指药物在体内吸收和分布的均一性。
