动态 | 偶联药物新型linker和payload的研发现状
转自：九洲药业
近年来，各种形式的偶联药物开发如火如荼，特别是以抗体偶联药物（Antibody-drugconjugate,ADC）为引领的偶联药物在癌症治疗上取得了巨大成功。在研药物中还有很多不同形式的偶联药物纷至沓来，不仅有常见的多肽偶联药物（Peptide-drugconjugate,PDC），还有小分子偶联药物（Smallmolecule-drugconjugate,SMDC）等其他形式。这些偶联药物作用机理大体是相似的，将两种或更多不同的药物分子或功能基团以特定方式连接在一起，形成单一化合物，以发挥协同效应或实现多重靶点干预的药物形式。偶联药物的应用领域非常广泛，包括癌症治疗、免疫调节、抗感染、神经系统疾病、自身免疫疾病等。随着对疾病机制和治疗需求的深入了解，偶联药物将继续成为药物研发和治疗创新的重要领域，为改善患者的生活质量和治疗效果做出贡献。
目前有15款ADC药物上市，其中80%是2017年以后获批，全球400余个公布的ADC候选药物在研，主要分布在肿瘤、罕见病和血液病治疗领域。集中于常见靶点的候选药物有136个，其中53个靶向HER2，其他PDC、SMDC等类型的偶联药物大多都在研发阶段。
*Mylotarg最初于2000年上市，2010年退市，2017年9月重新上市
上市的15个ADC药物基本情况
偶联药物新靶点的发现和新治疗领域的研究
发现偶联药物的新靶点是偶联药物研发中的关键步骤，新靶点的发现常常使用这四种方法，一，基于疾病的分子机制和信号通路，通过深入的研究和分析，确定潜在的治疗靶点。这可以通过基因组学、蛋白质组学和代谢组学等高通量技术来实现；二，探索潜在的药物相互作用，通过计算生物学、生物信息学和化学信息学的方法，预测和筛选可能与已知药物相互作用的靶点或分子；三，基于药物设计的方法，利用药物与相关靶点的结构信息，通过分子对接和模拟技术，筛选具有高亲和力和选择性的新靶点；四，利用化学合成技术，合成和评估一系列偶联药物分子，通过筛选和鉴定，鉴定与新靶点相互作用的化合物，从而发现新的治疗靶点。这些方法和策略的综合应用，有助于揭示疾病的潜在靶点，并为偶联药物的开发提供新的目标和方向。
偶联药物是一种将两个或多个活性成分结合在一起，以同时靶向多个生物分子或信号通路的药物。这种策略可以提高治疗效果，减少药物抵抗性，并且具有更广泛的应用前景。目前在研的疾病领域：
肿瘤治疗偶联药物：肿瘤治疗是偶联药物研究的一个重要领域。将靶向肿瘤细胞的药物与免疫疗法相结合，以实现更强大的抗肿瘤效应，提高疗效并减少药物抵抗性。例如，一些偶联药物同时靶向肿瘤细胞的增殖信号通路和抗凋亡通路，以实现更好的治疗效果。
炎症性疾病的治疗偶联药物：炎症性疾病如类风湿性关节炎、炎症性肠病等通常涉及多个炎症介质和信号通路。研究人员正在开发偶联药物，以同时靶向多个关键炎症分子或通路，以期获得更好的治疗效果。此外，偶联药物还在疾病的耐药性治疗方面展示出潜力，例如，在抗感染领域，偶联抗生素疗法被用于对抗多药耐药菌株，通过将多种抗生素结合在一起，同时干扰不同的细菌靶点，从而降低耐药性的风险。
心血管疾病的治疗偶联药物：心血管疾病涉及多个复杂的生物通路和分子，因此，偶联药物可以同时靶向多个关键分子，以改善心血管疾病的治疗效果。例如，一些偶联药物结合抑制血小板凝聚和抗血栓形成的药物，以预防心脑血管事件。
神经系统和免疫系统疾病的治疗偶联药物：神经系统疾病如帕金森病、阿尔茨海默病等也是偶联药物研究的重要领域。例如，将抗炎药物与神经保护剂相结合，可以同时减轻炎症反应并促进神经修复，有望在治疗神经退行性疾病中发挥积极作用。
尽管偶联药物在新治疗领域的研究和临床应用仍处于早期阶段，但已经涌现出一些令人鼓舞的案例。随着对疾病机制的深入理解和技术的不断进步，我们可以期待偶联药物在更多疾病领域的突破，并为患者带来更有效和个体化的治疗选择。
偶联药物新型linker和payload的研发现状
连接子（Linker）在偶联药物中起到连接和稳定药物分子的作用，影响着药物的稳定性、药代动力学、药效学和安全性。随着偶联药物的开发迭代，以及临床上成功和失败经验的累积，目前已经确定Linker是整个偶联药物设计的关键元素。
现已上市的15个ADC药物中，连接子大概分为四个类型，不可裂解型连接子和三种可裂解型连接子（酶可裂解型、酸可裂解型和GSH可切割还原型）。虽然ADC已经取得了巨大的成功，但未来的发展越来越受到连接器的制约。上市ADC中使用的经典连接物的缺陷包括以下几个方面：（1）有效载荷（payloads）在非肿瘤组织中的非特异性释放，导致脱靶毒性和有限的治疗窗口。最值得注意的案例是辉瑞公司开发的吉妥单抗ozogamicin（Mylotarg）。由于含有一种不稳定的n-酰基腙连接剂，导致严重的肝毒性，该药物于2010年被撤回，虽然Mylotarg在重新设计后于2017年再次获得批准，但FDA要求对潜在的肝毒性进行黑框警告。（2）常用的马来酰亚胺的Michael加成反应会导致ADC的疗效降低。例如，经典的N-琥珀酰亚胺基-4-(N-马来酰亚胺甲基)环己烷-1-羧酸盐（SMCC）连接物在小鼠血浆中120h后降解为38%，已上市的罗氏Kadcyla就是使用此类连接子，Kadcyla在小鼠体内7天后药抗比（DAR）降低29%。（3）有限的连接子-有效载荷附件（linker-payloadsattachment）不足以满足有效载荷的快速扩展。新型ADC迅速发展，用于治疗癌症、微生物感染和免疫调节，许多新设计的有效载荷正在等待适当的连接子-有效载荷附件。
为了解决上述问题，在过去的几年里，Linker的设计有了以下重要的发展：
1.优化现有的化学触发器（Chemicaltrigger），开发新的化学触发器，生成高选择性的连接体，在过去的5年里，除了已上市药物的4种连接子外，已经开发了许多Chemicaltrigger，比如Fe(II)可切割连接子、新型酶裂解型连接子、光响应可切割连接子和生物正交可切割连接子、新型不可裂解型连接子等。
2.开发新型连接体抗体附着物（Linker-antibodyattachment），以位点特异性连接技术和连接剂-抗体连接的化学结构改造的开发策略，生产稳定且均匀的ADC，减少脱靶毒性并且稳定药抗比（DAR）。如，引入N-苯基马来酰亚胺连接的新型结构，改善抗体药物复合物的稳定性和偶联效率；引入了N-甲基-N-苯基乙烯磺酰胺进行对半胱氨酸的选择性偶联，以防止Michael加成反应的发生；引入了一种基于阳离子有机金属铂（II）的连接子，[乙二胺铂（II）]2+，也称为Lx；开发较低非靶向毒性的新型双(乙烯磺酰基)哌嗪（BVP）连接子等；
3.开发附加的连接器-有效载荷附件（linker-payloadsattachment），可通过修改连接器来适应更多的有效载荷，如将羟基转化季铵结构，能够有效地连接具有三级胺的药物负载；Park及其合作者新开发设计了一种新的连接器（OHPAS），用于含有芳香羟基的药物负载，它是一种二芳基硫酸盐，一个芳基部分来自有效载荷，另一个来自连接基序的潜在苯酚基团；
4.优化连接物，提高ADC的吸收、分布、代谢和排泄（ADME），其中亲水性对ADC的开发至关重要，连接子的低亲水性会引起很多问题，比如低的偶联效率和DAR，ADC在血浆中的沉积，ADC在体内组织的非特异性摄取引起非靶向毒性等。目前改善ADC亲水性的策略主要分为两类，第一类，将PEG或磺酸酯集团纳入ADC连接中；第二类，开发高度亲水的连接剂，如基于磷酸盐的链接剂，或着，上面提到的一种基于阳离子有机金属铂（II）的连接子，[乙二胺铂（II）]2+等。此外，一些研究表明连接子还会影响肿瘤中有效载荷动力学，如。Zhang等研究人员发现含有甲基和环丁基取代的二硫化物连接体的抗cd22二硫化物-PBD-ADC在WSU-DLCL2异种移植小鼠模型中表现出很强的疗效，而含有环丙基连接体的ADC则无活性，经进一步研究表明，含甲基的连接子比不含甲基的连接子具有更高的自裂效率和稳定性。
payload的选择和优化
有效载荷（Payload）是在ADC内化后发挥药效的弹头，它承载着药物的治疗效果和目标作用机制。Payload可分为细胞毒类与非细胞毒类，绝大部分ADC都使用细胞毒类Payload，目前已上市的ADC产品仅有日本厚生劳动省批准的Akalux使用非细胞毒类Payload。
通常对于细胞毒类Payload的要求包括：（1）对肿瘤细胞杀伤力足够强，达0.001–1nM；（2）足够的水溶性；（3）血清中稳定；（4）含有或在保证活性基础上可改造出与连接子偶联的基团（如羟基/氨基/巯基等）；（5）对溶酶体的酶降解反应不敏感；（6）无免疫原性；（7）作用靶点位于胞内。
大多数癌症化疗使用多种药物联合治疗方案，以提供更好的疗效，目前已经提出含有多个有效载荷的ADC，通过工程化抗体平台可用于将任何所需的药物载体连接形成双有效载荷ADC，具有两个不相关机制的两个不同有效载荷可能实现协同作用，并最大程度地减少癌症耐药的机会。一项研究报道了一种双有效载荷，HER2靶向ADC（在工程位点特异性硒代半胱氨酸/半胱氨酸残基上链接），其中包含DNA交联剂PNU-159682和微管蛋白聚合抑制剂单甲基奥利司他丁F（MMAF），体外实验表明，这种双有效载荷的ADC对HER2表达的细胞系具有与单一PNU-159682ADC相似的效力，但比单一MMAFADC具有更强的效力。作用机制研究确认了该ADC的双重机制，PNU-159682通过其对DNA的损伤活性导致S期细胞周期停滞，而MMAF抑制微管聚合并同时引起G2/M期细胞周期停滞，在癌细胞中发挥双重杀伤机制。其他双有效载荷的ADC包括：双吡咯并苯并二氮杂卓（PBD）二聚体/MMAEADC（其中MMAE作为微管蛋白聚合抑制剂，PBD作为DNA小沟烷化剂）、双MMAE/MMAFCD30靶向ADC（既含有可断裂的连接剂又含有不可断裂的连接剂）和双α-鹅膏蕈碱/MMAEADC（其中α-鹅膏蕈碱作为RNA聚合酶II抑制剂）。
新有效载荷的开发一直是ADC设计和肿瘤化疗的一个有吸引力的领域。新支架的发现极具挑战性，需要在天然产物鉴定、高通量筛选或基于结构的药物设计等领域开展大量工作，这些领域需要数十年的研究。相比之下，对批准的有效载荷或经过充分研究进行结构改造可以更快地识别新的有效载荷，一项综述性研究，总结发现这些Payload具有轻度改造就能提供更高活性的新Payload潜能：ptophycin-55、Aplyronines、calicheamicin、uncialamycin、N14-DesacetoxytubulysinH、trioxacarcins、epothilone、thailanstatin、disorazoles、shishijimicin和namenamicin等。
用于偶联药物的新技术研发现状
新技术在偶联药物研发中的应用推动了药物研究的进步和创新。通过高通量筛选、计算模拟、基因组学和蛋白质组学等技术的应用，可以加速药物发现和优化过程，为研发更有效的偶联药物提供更多机会和可能性。
高通量筛选技术的应用
高通量筛选技术在偶联药物研发中扮演着关键的角色，为药物发现和优化过程提供了高效、快速的策略。该技术可以同时处理大量化合物样品，通过自动化设备和高吞吐量的实验平台，实现对大规模化合物库的快速筛选和评估。如罗氏的Kadcyla，是一种HER2靶向的ADC，它将HER2抗体（Trastuzumab）与细胞毒素DM1连接在一起。高通量筛选技术在该药物的发现和优化过程中发挥了关键作用。以下是Kadcyla开发过程中高通量筛选技术的应用：
·候选连接器的筛选：通过高通量筛选技术，研究人员在大规模的连接器库中筛选出与HER2抗体结合并具有适当稳定性和药物性质的候选连接器。这些连接器是将抗体与细胞毒素连接的关键组分。
·细胞毒素活性的评估：通过细胞增殖测定等方法，对大量细胞毒素进行筛选，以选择具有高效的抗肿瘤活性的细胞毒素。DM1是一个强效的微管聚合抑制剂，通过破坏肿瘤细胞的微管网络来引发细胞毒性效应。
·连接物的优化：通过结构优化和合成化学方法，对连接器进行进一步的优化，以提高其稳定性、药代动力学特性和药物释放的效率。这些优化能够提高ADC的整体药物性能，包括选择性靶向肿瘤细胞、降低非特异性毒性和增强抗肿瘤活性。
通过高通量筛选技术的应用，Kadcyla成功选择了合适的连接器和细胞毒素，并进行了化学优化，最终形成了一种具有高度选择性和良好药物性能的偶联药物。它的上市标志着高通量筛选技术在偶联药物研发中的成功应用，并为其他类似药物的发现和优化提供了重要的借鉴。
基因工程和合成生物学的应用
基因工程和合成生物学在偶联药物研发中发挥着重要的作用，为药物的设计、生产和优化提供了创新的工具和方法。这些领域的技术和原理可以用于改造生物体的基因组和代谢途径，实现新药物的合成、代谢调控和靶向递送等关键步骤。
基因工程和合成生物学为偶联药物的合成提供了新的途径。通过基因工程技术，可以在微生物、植物或动物细胞中引入特定的合成基因或代谢途径，以产生目标化合物或药物的前体。这种方法可以实现对合成过程的精准控制和高效产出，提高药物的纯度和产量。并且，基因工程和合成生物学还可以用于调控药物的代谢途径和药效。通过改变生物体内的代谢网络或特定基因的表达，可以调控药物的代谢途径、药物的活性和药代动力学特性。这种方法可以优化药物的疗效和生物利用度，减少副作用和毒性。
此外，基因工程和合成生物学在靶向递送系统的研发中也发挥着重要作用，通过改造细胞或载体表面的受体、递送通道或靶向分子，可以实现药物的精确靶向递送和释放。这种方法可以提高药物在疾病组织或细胞中的富集度，增强治疗效果并减少对健康组织的影响。
综上所述，基因工程和合成生物学在偶联药物研发中具有重要的作用。它们为药物的合成、代谢调控和靶向递送等关键步骤提供了创新的工具和方法。通过基因工程和合成生物学的应用，偶联药物的研发可以更加高效、精确，为疾病治疗带来新的机遇和突破。
对偶联药物研发领域的展望表明，新技术和新领域的探索对于推动偶联药物的发展和应用具有重要性。随着科学技术的不断进步，偶联药物研发将更加注重靶向性和个体化治疗，新技术的应用将加速偶联药物的发现和优化过程，高通量筛选、基因工程、合成生物学以及先进的计算和模拟方法，将为药物研发提供更快速、高效和智能化的手段。这将大大缩短药物研发的周期，降低成本，并推动更多有前景的偶联药物进入临床应用。此外，对新技术和新领域的探索也将拓宽偶联药物的应用领域。例如，纳米技术、基因编辑、免疫疗法等领域的进展，为偶联药物在肿瘤治疗、免疫调控和基因疾病治疗等方面提供了新的机会和挑战。通过在这些新领域中的创新应用，偶联药物有望开辟新的疗法和治疗策略，为疾病治疗带来更多突破和可能性。
参考文献：
https://doi.org/10.1016/j.apsb.2021.03.042
https://doi.org/10.1124/pharmrev.121.000499
偶联药物的连接子及其对药物性质的影响