连环画 | ADC

1. 2021年7月，华人抗体协会首次提出了“抗体加”（AntibodyPlus^TM）的全新概念，旨在反映药物研发和商业化中的最新趋势：越来越多的人工合成抗体形式正在迅速涌现。其中，一类重要的抗体加药物是抗体偶联药物（Antibody drug conjugate，或ADC）。

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2.  ADC药物通常以单克隆抗体分子为基本骨架，通过共价连接子将抗体与小分子化疗药偶联。在治疗癌症时，抗体能够识别并结合肿瘤细胞表面的抗原。ADC被肿瘤细胞内吞后，连接子被切断，释放出具有细胞毒性的小分子药，从而杀伤肿瘤细胞。一个抗体分子通常可以携带2-8个细胞毒性药物。这些药物通常又被称为有效载荷（payload）。药物-抗体比例（drug-antibody ratio，简称DAR）代表着每个抗体分子平均携带的有效载荷数量。

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3. 具体而言，ADC的作用机制包括以下关键步骤：

(1）抗体与特异性抗原结合；

(2) ADC-抗原复合物被肿瘤细胞内吞，并进入内体-溶酶体途径；

(3) 抗体部分在溶酶体中被降解；

(4) 细胞毒性药物在细胞质内释放；

(5) 载荷与细胞内靶标DNA，微管、或拓扑异构酶1（Topo1）相互作用，诱导肿瘤细胞凋亡;

(6）一部分载荷可能扩散到细胞外;

(7）载荷被邻近细胞吸收后继续发挥杀伤作用，这一过程被称为"旁观者效应"（bystander effect）。

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4. ADC是一类复杂的药物，其分子结构结合了大分子药物（抗体）和小分子药物（细胞毒性载荷）。设计一款有效的ADC药物需要重点关注四个关键环节：抗体、靶点、细胞毒性药物和连接子。这些因素和临床适应症的选择共同决定了ADC药物的成功与否。当前，人们越来越重视将载荷的作用机制、效力和特性与抗体靶点及特定适应症相匹配。

5. ADC药物的复杂性也导致了其研发和生产过程的复杂性。复杂分子需要更多的工艺步骤、开发、分析检测、制剂、稳定性研究，从而显著增加了成本和时间。除了单克隆抗体、小分子药和连接子的各自生产之外，ADC的制备还包括偶联步骤。对一款ADC药物的各种临床前评估测试也比单一抗体药或小分子药复杂，比如需要进行旁观者效应、肿瘤渗透率、载荷和连接子对ADC亲水性的影响等一系列专项测试。

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6. ADC的开发历史是一个历经长期积累，最终迎来井喷的过程。早在1913年，德国生理学家、诺贝尔奖获得者保罗·埃利希（Paul Ehrlich）便提出“魔法子弹”的概念：理想的药物应能特异性地杀死病原体，而对人体细胞不造成任何伤害。埃利希当时主要在各种染料中寻找魔弹——如果一种染料能够特异性地染色（进入）细菌或病原体，它就可能成为药物的载体。他当时还不知道抗体的存在。

在制药业经历了无数次的失败后，首款ADC药物MYLOTARG终于于2000年获FDA批准上市。但随后的十年继续见证了ADC 药物开发的艰难。受药物异质性和不稳定性等问题的困扰，这十年没有新的ADC药物获批。就连MYLOTARG也于2010年因较高的毒副作用而被从市场上撤回。2010年之后，由于ADC领域中技术的改进，越来越多的ADC药物获得批准上市。迄今为止，已有14款进入市场，其中包括于2017年在调整剂量后重返市场的MYLOTARG，以及最近（2025年1月17日）刚刚在美国获批的DATROWAY.

图源：Paul Ehrlich照片来自19

7. 在这14款获批的ADC药物中，有6款用于治疗血液肿瘤，其余8款用于治疗实体瘤。绝大多数已上市的ADC药物是以全长IgG1为骨架，使用可裂解的连接子，其中最常见的靶点是HER2。在这些药物中，有一款是在中国获批的——由荣昌生物开发的爱地希 ®（维迪西妥单抗）。维迪西妥单抗的海外（包括欧美和日本等地区）开发和商业化的权益被转让给Seagen。在2023年辉瑞收购Seagen后，这部分权益随即由辉瑞接手。

图源：10（有改编）

8. 虽然大多数ADC药物的商业化历史尚短，但其中几款已经成为重磅药物（年销售额超过10亿美元），包括KADCYLA、ENHERTU和ADCETRIS。ADC药物的市场规模在2023年已达到约100亿美元，并预计在2032年将超过250亿美元。

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9. 同化疗药物类似，ADC上携带的小分子药物通过以下三种主要机制引起细胞凋亡：

（1）抑制细胞微管形成、阻止细胞分裂；

（2）在细胞核里结合DNA，引起DNA断裂或交联；

（3）抑制拓扑异构酶1（Topo1），阻止DNA复制。

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10.  ADC药物的有效载荷经历了一个试错和进化的过程。早期ADC药物开发大多失败的一个重要原因是有效载荷的效力（potency）不足，多数仅达到微摩尔（μM）级别。近10多年里获批的ADC药物，其有效载荷的效力已经提升到纳摩尔（nM）甚至皮摩尔（pM）级别。一个新趋势是效力稍弱的Topo1抑制剂逐渐成为主流的有效载荷。最主要的一类Topo1抑制剂源于从中国喜树树干中提取的喜树碱（Camptothecin）。

图源：6（有改编）

11. 这一趋势在处于临床开发阶段的ADC药物中表现得尤为明显。超过100多款的ADC在研药物都使用了喜树碱类载荷，遥遥领先于排名第二的微管抑制剂Auristatin。

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12. 随着临床前和临床数据的不断积累，研究人员逐渐认识到ADC药物的复杂性仍被低估。我们对ADC的理解仍在不断深化。许多关于ADC的传统观念和理论正在受到挑战。

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13. 理论1：每一款ADC药物是单一分子。

现实1：至少到目前为止，每一款ADC药物实际上是由几种分子组成的混合物。

在ADC偶联方法的进化过程中，第一代通过赖氨酸残基偶联或第二代通过还原抗体单链间二硫键进行偶联的ADC生产，会导致DAR和偶联位点的高度异质化。第三代偶联方法——位点特异性偶联（site-specific conjugation）极大地降低了这种异质性，但其产品还是包括了至少两种分子。

(A) 赖氨酸偶联的DAR为0–8，潜在的偶联位点约为每个单克隆抗体（mAb）40个赖氨酸残基。

(B) 通过还原链间二硫键进行偶联的DAR为0–8，潜在的偶联位点为每个mAb八个半胱氨酸残基。

(C) 利用两个引进的半胱氨酸残基的位点特异性偶联，DAR为0–2，偶联位点为每个mAb的两个位点。如果需要，可以通过氨基酸替换而增至四个偶联位点，使DAR翻倍。

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14. ADC药物进入体内后，有效载荷会逐渐从抗体分子上脱落，导致DAR随时间降低。因此，ADC在体内会以多种形式同时存在：不同DAR的ADC分子、游离的小分子药、带着连接子的载荷、带有连接子的抗体分子等。

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15. 理论2：抗体与靶点的亲和力越强，ADC的药效越好。

现实2：最佳的ADC抗体具有中等亲和力（1-10 nM）。

ADC通过毛细血管壁进入肿瘤组织时，如果抗体亲和力过强（解离速率低），大部分ADC会滞留在最先接触的肿瘤细胞上（“Binding site barrier”），限制ADC进一步渗透到肿瘤内部。如果亲和力过低，抗体则无法充分结合到肿瘤细胞表面，导致被内吞的ADC分子数量有限，从而对肿瘤细胞杀伤效果不足。

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16. 理论3：临床前动物模型可以准确预测ADC药物在人体内的药效和安全性。

现实3：ADC药物在人体和动物体内的药代动力学（PK）可能存在着巨大差异。

ADC药物的药效和毒副作用在很大程度上取决于在血液中游离有效载荷的暴露量。而对ENHERTU (T-DXd)而言，其脱离的有效载荷与ADC在人体中的暴露量比例（血浆浓度曲线下面积比例）远高于在非人灵长类动物体内的比例。图中浓度轴为对数轴。

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17. 这种差异是一种普遍现象。7种已上市的ADC药物在人体中的这一比例均显著高于其在大鼠和猴子体内的相应指标。

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18. 理论4：与单独使用化疗药相比，ADC扩大了治疗窗口。

现实4：ADC并没有提高相应化疗药的最大耐受剂量（MTD）。

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19. 实际上，如果将ADC的最大剂量换算为有效载荷的剂量，在患者中，已获批准的ADC的MTD与相关小分子药物的MTD基本相当。在临床中通常主导ADC的MTD的是“平台毒性”（“platform toxicities“），即由载荷效力和药物-连接子特性决定的靶点非依赖性副作用（off-target,off-tumor toxicities）。 

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20. 那么ADC和相关的化疗药相比在临床上有何优势？综合所有临床试验数据来看，当按MTD或推荐II期剂量（RP2D）给药时，和相关小分子药物相比，ADC显著提高了肿瘤的总体缓解率（ORR）。

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21. 因此，关于ADC扩展治疗窗口的模式需要进行修正。至少在人体中，ADC并未显著提高其偶联载荷的MTD，而其最小有效剂量（MED）在临床研究中尚未被明确。当按其MTD或RP2D给药时，ADC可在疗效上优于相关的非偶联小分子药物（在某些情况下，也优于标准治疗方案）。

造成ADC与小分子化疗药疗效差异的一个原因可能是ADC改变了其载荷的PK。ADC成为载荷储库，在数天内逐渐释放载荷，类似于一种“持续输注”模式。而除了通过ADC靶向直接递送外，自由载荷对抗肿瘤作用也可能有一定的贡献。本质上，ADC是半衰期延长且在细胞内激活的前药。

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22. 理论5：一个高度稳定的连接子对于ADC的临床成功至关重要。

现实5：追求在肿瘤细胞外高度稳定的连接子不一定会带来预期效果。

在血液循环中，ADC面临两种主要的连接子不稳定性，一是连接子-小分子药不稳定性，导致自由药物的释放；二是抗体-连接子不稳定性，引起完整的载荷药物-连接子复合物的释放。

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23. 几乎所有获批上市的ADC都存在某种连接子不稳定性。事实上，目前尚无任何获批的ADC能够拥有在血浆中100%稳定的连接子。

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24. 从临床数据看，抗体-连接子稳定性并不是ADC成功的必要条件。

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25. 提高连接子的稳定性甚至可能会带来意外的毒副作用。例如，两个分别靶向CD79b和Mucin-16的ADC，在通过Thiomab 位点特异性偶联技术改造成更稳定的ADC后，其临床MTD并没有提高。与第一代ADC相比，这些稳定性更高的ADC虽然减少了血液毒性和神经毒性，但却增加了眼部毒性的发生率。这可能是由于改变了连接子稳定性的ADC也改变了其在不同组织的分布。

增加了ADC稳定性的位点特异性偶联在体外和体内试验中显示出令人鼓舞的结果，但迄今为止尚未在临床中取得成功。许多这类ADC在I期至II期临床试验中失败。比如图中给出的例子，尽管polatuzumab vedotin（POLIVY）获得了批准，但针对相同靶点（CD79b）并使用相同连接子-载荷的半胱氨酸工程化抗体iladatuzumab vedotin却在I期试验后被终止。目前处于后期试验阶段的21种ADC中，只有两种（ARX788（Ambrx）和pivekimab sunirine/IMGN632（ImmunoGen/AbbVie））基于位点特异性偶联方法。

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26. 理论6：ADC是“魔法子弹”，能够将偶联药物选择性地递送至癌细胞，同时避免对正常细胞的损害。

现实6：ADC目前距离“魔法子弹” 还有较大差距，对正常细胞仍有较高毒性。

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27. 放射性标记抗体可以揭示基于抗体的治疗药物在体内的组织分布。数据显示，注射剂量的抗体（和ADC）中，只有不到1%能够到达肿瘤部位，而绝大部分ADC主要通过靶点非依赖性摄取分布在健康器官和组织中，比如血液、肝、肾和脾等。考虑到肿瘤体积不到人体体积的0.1%，ADC还是在肿瘤中富集。但由于超过99%的ADC分布在正常组织，ADC药物不可避免地带来了毒副作用。

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28. ADC的毒性主要有四种机制。完整的ADC可能通过非特异性内吞作用进入正常细胞; ADC通过结合正常细胞上的靶抗原被内吞，引起正常细胞死亡（on-target, off-tumor toxicity）；ADC 与Fc受体或C型凝集素受体结合后被正常细胞内吞；ADC脱落的或其他靶向/非靶向细胞凋亡而释放的载荷，也可能通过以下方式进入正常细胞：膜通透性高的载荷通过被动扩散进入；膜通透性低的连接子-载荷复合物通过非特异性内吞作用进入。

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29. 减弱或抑制这四种ADC致毒机制，可以采取多种潜在策略。比如，为了减少通过抗体结合Fc受体而引起的内吞，抗体可以进行工程化改造，去除Fc片段上的受体结合位点。

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30. 在了解现实后，我们该如何继续改进ADC疗法？一种策略是对现有的ADC分子特性进行精细调整。一个典型的成功案例是从Kadcyla（T-DM1）到ENHERTU（T-DXd）的迭代升级。T-DXd相比于早期一代ADC T-DM1在临床活性方面取得了显著改善。尽管这两种药物都使用相同的抗体并携带细胞毒性载荷，但通过选择具有不同效力和作用机制的细胞毒分子（载荷DXd效力比DM1低几十倍，但脂溶性高，膜通透性高，因此产生较强的旁观者效应，而DM1没有旁观者效应），以及采用不同的DAR和连接技术，最终开发出一种活性更高的药物。对于HER2阳性转移性乳腺癌，T-DXd的缓解率提高了一倍以上，中位无进展生存期（PFS）从大约7个月延长至大约29个月。

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31. ENHERTU对于一些对Kadcyla已产生耐药性的乳腺癌患者仍具有显著疗效。一个重要原因是二者的载荷靶点和外排特性不同。DM1是微管抑制剂，而DXd是Topo1抑制剂，并且负责将DM1外排的细胞膜ABC转运蛋白成员对DXd结合力甚弱。因此，改进ADC疗法的另一个方向是载荷多样化。我们应该扩大ADC载荷的靶点范围——仅有三类化疗机制是不够的。在有多种载荷可供选择时，不同的ADC可以联合用药或多线治疗。

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32. 现在上市或在研的ADC的抗体靶点只集中在几个蛋白。我们需要挖掘出更多的ADC抗体靶点。

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33. 另外，我们还可以改变抗体形式。比如，双表位（biparatopic）、双特异性（bispecific）和多价ADC可以交联/聚集受体，从而增强内吞作用和药物递送效率。双特异性ADC还具有潜在的“与门”（AND gate）机制——ADC仅在两种抗原同时存在时才发挥活性。因此，双特异性ADC可能具有更好的肿瘤特异性。

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34. 如果ADC的载荷可以诱导免疫原性细胞死亡（Immunogenic Cell Death或ICD），这类ADC可以和Anti-PD-(L)1联合用药。经历ICD的肿瘤细胞释放“危险信号”DAMPs，包括钙网蛋白（CRT）、高迁移率族蛋白B1（HMGB1）和三磷酸腺苷（ATP），刺激树突状细胞的成熟和激活。DAMPs由表达在树突状细胞表面的特定受体识别。

不是所有的载荷都会引起ICD。现在认为能引起ICD的载荷包括auristatins、anthracyclines、oxaliplatin和mitoxantrone（一种Topo2抑制剂）等。

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35. ADC药物现在还只是具有肿瘤偏向性的缓释化疗药。要想成为真正的“魔法子弹”，理想的ADC 应该在四个环节上都具有肿瘤选择性：抗原靶点只在肿瘤细胞上特异性地表达；抗体无法通过靶点非依赖性的方式进入正常细胞；连接子只在肿瘤微环境或肿瘤细胞中被切断；肿瘤细胞对载荷杀伤力的敏感性远超于正常细胞。

历史上，第一款ADC上市需要20年的研发历程。第二款ADC又花费了超过10年的开发时间才获批。相比之下，仅在过去6年就有10种新型ADC获批。目前已有250多个新型ADC进入临床阶段。ADC技术正经历前所未有的井喷期。与免疫检查点抑制剂、双抗技术一起，ADC已经改变了癌症治疗的格局。（完）

参考资料：

24. Gerber, H.-P., Sapra, P., Loganzo, F., and May, C. (2016) Combining antibody–drug conjugates and immune-mediated cancer therapy: What to expect? Biochemical Pharmacology 102, 1-6

关于华人抗体协会

华人抗体协会是一个聚焦于治疗性抗体的非营利、非政府的独立的全球性专业组织，致力于创建一个旨在促进在治疗性抗体研发，生产以及商业化等领域的合作与交流的平台。

华人抗体协会与牛津大学出版社合作，出版同行评审英文专业期刊: Antibody Therapeutics。

Antibody Therapeutics网站：https://academic.oup.com/abt