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金笔奖 | ADC药物及其临床进展和挑战

https://www.cphi.cn   2019-05-26 11:37 来源:CPhI制药在线 作者:知行

本文简要介绍了ADC常用的细胞毒素和连接物、上市ADC药物及其临床进展和ADC研发上市的挑战。

       金笔奖

       抗体-药物偶联物(antibody-drug conjugates,ADC)由抗体、细胞毒素(cytotoxic payload)及连接物(linker)三部分组成,兼具了抗体的高特异性和细胞毒素对肿瘤的高毒性,是新一代抗体技术的发展方向之一。本文简要介绍了ADC常用的细胞毒素和连接物、上市ADC药物及其临床进展和ADC研发上市的挑战。

       ADC的发展经历了三代,第一代使用的单抗的主要为鼠源抗体,由于抗体的免疫原性及细胞毒素的生物活性差及选择性差而存在缺陷(如Mylotarg);第二代ADC得益于抗体技术的发展,抗体的人源化和靶向性、连接物的稳定性均有所提高,目前已有3款第二代ADC上市(Adcetris、Kadcyla和Besponsa);借鉴第一代和第二代ADC的经验,第三代ADC成功的关键在于特异性位点偶联和计量细胞毒素技术,MEDI4276、vadastuximab talirine和IMGN779均是在研的第三代ADC。

ADC作用机制

       ADC作用机制

       一款成功的ADC药物取决于4个方面:靶点、抗体、细胞毒素及连接物,其设计和选择上应该符合一定的条件。ADC靶点的选择与单抗药物类似,即该抗原在癌细胞中高表达,正常细胞中低表达,从而降低脱靶毒性。当前的主要关注点有;抗体、细胞毒素及连接物,具体要求见下表。

ADC靶点

       ► 细胞毒素(cytotoxic payload)

       细胞毒素是ADC的"弹药",主要靶向癌细胞的DNA和微管蛋白(tubulin)。早期研发中使用的细胞毒素包括:生物碱类(alkaloids)、甲氨蝶呤(methotrexate)、蒽环类抗生素(doxorubicin)和紫杉烷(taxanes),这些细胞毒素均因不能达到有效载荷和缺少靶向特异性毒性和细胞毒素分配不均一性而限制其研发。

       目前ADC药物研发中常使用的细胞毒素包括,抗DNA类:刺孢霉素(calicheamicins)和duocarmycins,抗微管蛋白类:奥利斯他汀(auristatins,monomethyl auristatin E,MMAE;monomethyl auristatin F,MMAF)和美登素(maytansines,DM1、DM4)。

       刺孢霉素,又称卡奇霉素,是天然的抗肿瘤抗生素,1987年最早自土壤微生物(Micromomospora echinospora ssp. Calichensis)中分离提取获得,是一族即有广谱抗菌活性又能强效杀伤多种肿瘤细胞的抗生素细胞毒素。刺孢霉素可与DNA双螺旋结构的小沟结合,通过Bergman环化反应切割DNA双螺旋骨架并杀死肿瘤细胞。

刺孢霉素

       刺孢霉素(calicheamicins)

       Duocarmycins来自抗肿瘤抗生素链霉菌,能特异性识别DNA小沟,并有效烷基化NDA碱基N3位的腺嘌呤,具有很高的抗癌活性。

       奥利斯他汀是全合成药物,其衍生物MMAE和MMAF常用于ADC的设计。

奥利斯他汀

       奥利斯他汀(a),MMAE(b),MMAF(c)

       美登素发现于20世纪70年代初期,是从非洲灌木(Maytenus ovatus)树皮中分离得到的,其通过与长春花位点结合,抵制微管蛋白聚集,从而导致肿瘤细胞凋亡。DM1和DM4都是美登素的衍生物,直接或间接地由二硫键或稳定硫醚键与抗体相连。

美登素

       美登素(maytansines)

       ► 连接物(linker)

       连接物的选择和设计中有两点格外重要,在体内足够稳定和在靶点有效的释放效应分子(细胞毒素),效应分子过早地释放以及其在非靶点位置的脱落均会对正常细胞产生毒性。

       连接物可简单分为裂解型和非裂解型,裂解型连接物依赖特异性蛋白酶、内源环境pH或硫醇完成细胞毒素的释放,包括:腙键(hydrazone)、二硫键(disulfide)和二肽键(peptide),非裂解型连接物依赖抗体自身降解释放细胞毒素,如硫醚键(thioether)。

       腙键是一种裂解型连接物,根据正常细胞和肿瘤细胞间的区别设计,其在酸性条件下(pH 4.5-6.5)不稳定而在中性条件下(pH 7.3-7.5)稳定,从而释放细胞毒素。腙键连接物的选择性相对较低,在循环系统中会释放部分细胞毒素且半衰期较短,已趋于淘汰。

Doxorubicin的腙键衍生物

       Doxorubicin的腙键衍生物(1)和其形成的ADC(2-5)

       二硫键连接物依据二硫键在细胞内还原环境中被分解,而在循环系统中保持稳定的特性。一般来讲,循环系统中还原剂的浓度(如谷胱甘肽,GSH)也比较高,因此,为增加ADC的稳定性,二硫连接物一端会引入一个或两个甲基修饰。

二硫键连接的美登素ADC

       二硫键连接的美登素ADC

       二肽连接物的设计源自化学裂解型连接物在循环系统中的稳定性还不够,并且根据组织蛋白酶、血浆酶等蛋白酶在肿瘤组织中高表达,在正常组织外因pH值较高而失活进行研发的。缬氨酸-瓜氨酸(Val-Cit)是首个应用的二肽连接物,也是目前最理想的二肽连接物,Val-Cit可与mAb、MMAE作用生成mAb-Val-Cit-MMAE,当这种ADC进行肿瘤细胞内时,高表达的蛋白酶便会切断二肽与细胞毒素间连接的酰胺键,释放MMAE。β-葡糖醛酸连接物也是利用肿瘤细胞中葡糖醛酸酶远远高于循环系统发展作用的,原理与二肽连接物类似。

二肽连接物

       硫醚键连接物最初由ImmunoGen在偶然情况下发现,但是很快便展现其优势。当ADC被肿瘤细胞吞噬后,ADC的抗体部分在溶酶体内被破坏,释放了带有赖氨酸且具有同等活性的美登素,同时由于离子化赖氨酸的存在,美登素衍生物不能通过细胞膜,因而更具安全性。

美登素的硫醚ADC及其释放

       美登素的硫醚ADC及其释放

       ► FDA批准上市的ADC

       经过30年的发展,FDA共批准4款ADC药物上市,分别为Adcetris、Kadcyla、Besponsa和Mylotarg,但仅有1款用于实体瘤的治疗,其他3款均用于血液肿瘤的治疗。

FDA批准上市的ADC

       Mylotarg于2000年5月首次获得FDA快速批准上市,但由于未能证明其临床收益及患者因静脉闭塞性肝病出现早期死亡,2010年辉瑞主动将Mylotarg撤出市场。2014年,对5项随机临床试验数据分析后,与最好的支持治疗相比,低剂量的Mylotarg提高了患者的生存期。基于这些数据,2017年9月,FDA再次批准其用于治疗表达CD33抗原的新诊断急性骨髓性白血病(AML)的成人患者。

       Adcetris最初于2011年获批霍奇金淋巴瘤(HC)和系统性间变性大细胞淋巴瘤(sALCL),并于2018年11月获批一线治疗其他CD30阳性外周T细胞淋巴瘤(PTCL)成人患者,围绕HC、sALCL和PTCL,Adcetris已获得6项适应症的治疗,扩张可谓神速。

       Kadcyla于2013年获批上市用于治疗HER2阳性乳腺癌,也是目前唯一一个在104个国家(包括美国和欧盟成员国)获批作为单药治疗的ADC,用于曾接受过赫赛汀和/或紫杉烷化疗的HER2阳性转移性乳腺癌患者。

       Besponsa是辉瑞第2款上市的ADC,于2017年上市,靶向CD22用于治疗复发/难治B细胞前体急性淋巴细胞白血病(ALL),Besponsa采用的是与Mylotarg相同的酸不稳定的腙键连接物。

       ► 处于后期临床(III/IV)研发的ADC

处于后期临床(III/IV)研发的ADC

       ADC与免疫疗法联用也备受药企喜爱,并且已有开启40项临床试验,应用最多的免疫疗法为PD-1抗体,其次是CTLA-4和PD-L1抗体;应用最多的ADC为Adcetris,其次是Kadcyla。全球Adcetris + Pembrolizumab (PD-1) /Nivolumab (PD-1) /Ipilimumab (CTLA-4)的临床试验已经启动13项,Adcetris + Pembrolizumab联用治疗HL已经进入III期临床;Kadcyla + Pembrolizumab (PD-1)/Atezolizumab (PD-L1)/Utomilumab (4-1BB)也已开启6项临床试验,位居第二。

       ► ADC研发的挑战

       据统计,57%的药企表示参与到ADC的研发,51%的药企表示参与到单抗的研发。然而ADC的研发已经过去30个年头,但FDA仅批准4款ADC,更多的数据表明ADC产品在临床前具有很大的潜力,一进入临床研究,不是没有进展就是被中止,毒性和不完整的表征数据是其失败的两个主要因素。

       ADC安全性的保证需要对其3个部件:抗体、连接物和细胞毒素的真正理解,这也决定了未来ADC的研发方向,即开发位点特异性偶联物,增加连接物的稳定性;开发新型合适的细胞毒素,克服ADC耐药;提高DAR比值(Drug-to-antibody ratio,表示细胞毒素分布的稳定性)。

       ADC的本质决定了其要比单抗更复杂,也就需要更多的数据支持ADC的临床或上市申请,完整的结构表征、理化试验、生物物理学分析以及CMC指南是必要条件,这就需要用到超过单抗几倍的生物制药研究和分析方法(初级/二级/三级结构、二硫键、电荷、糖基化等等)。

       有三种方法可以提高ADC的IND进程,1)对关键质量参数进行详细的研究,单抗表征(质谱、肽图、糖基化、圆二色谱、差示扫描量热法等)、ADC安全性和疗效(DAR、连接位点、连接物载体结构、细胞毒素分配等)、抗原结合能力和毒性分析;2)不放过容易忽视的研究,剂量、输液器/注射器兼容性、使用稳定性、残余细胞毒素等;3)创建一个适用性平台,平台的关键在于可以立即展开新的临床试验(补充性或适应症拓展性),表明某一新分子具有可比的特性,可以很快的通过鉴定。

       参考来源:

       1.Antibody Drug Conjugate Development: Keys to Rapid IND Submission and Approval;

       2.Antibody-Drug Conjugates: Linking Cytotoxic Payloads to Monoclonal Antibodies;

       3.Linker Technologies for Antibody-Drug Conjugates;

       4.Antibody-Drug Conjugates: Design, Formulation and Physicochemical Stability;

       5.Acquired Resistance to Antibody-Drug Conjugates。

       作者简介:知行,用简单的语言讲述不简单的未来,一个不断前行的医药人。

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