蛋白降解療法進入臨床的潛力與局限

       當(dāng)Ian Taylor博士在報紙上看到一家新興生物科技公司將專注于開發(fā)靶向蛋白降解劑時，他立即對這家公司產(chǎn)生了濃厚的興趣。大多數(shù)小分子藥物通過阻斷蛋白的活性位點來抑制蛋白功能，而這家名為Arvinas的公司在尋找為“PROTACs”的小分子，它們能夠利用細(xì)胞的蛋白降解機制來將蛋白完全銷毀。“我對自己說：這太棒了，你可以用它來靶向無法成藥的靶標(biāo)。”Taylor博士回顧道，他當(dāng)時在輝瑞（Pfizer）腫瘤學(xué)部。如今，作為Arvinas公司的生物學(xué)高級副總裁，他將負(fù)責(zé)這一新興治療方式的第一項臨床試驗。

       Arvinas公司將開始為使用ARV-110治療前列腺癌患者的1期臨床試驗招募患者。ARV-110是一款雙功能分子，分子的一端可以與靶標(biāo)結(jié)合——對于這種在研療法來說是雄激素受體（AR）。而它的另一端可以與E3泛素連接酶結(jié)合。連接酶可以為靶標(biāo)“貼上”泛素的標(biāo)簽，讓靶標(biāo)蛋白被運送到細(xì)胞的蛋白酶體進行降解。而今年晚些時候，Arvinas計劃啟動使用ARV-471治療乳腺癌的臨床試驗。它是一款使用同樣機制靶向雌激素受體（ER）的靶向蛋白降解劑。

       其它公司的靶向降解劑也接近進入臨床開發(fā)階段。其中包括諾華（Novartis）公司，該公司靶向尚未透露靶標(biāo)的靶向降解劑在今年晚些時候也將進入臨床期。“業(yè)界所有人都在屏息靜氣，等待這些試驗的第一批臨床結(jié)果，”Jason Imbriglio博士說，他在默沙東（MSD）公司從事靶向降解劑的研究：“這些結(jié)果可能真正改變?nèi)藗儗@一技術(shù)的看法。”正如藥明康德微信團隊之前報道中總結(jié)的那樣，蛋白靶向降解技術(shù)正在重定義小分子藥物。

       這項技術(shù)的潛力已經(jīng)讓包括Arvinas，C4 Therapeutics和Kymera Therapeutics等公司專注于改良靶向降解劑的化學(xué)特性。大型醫(yī)藥公司也在這一技術(shù)領(lǐng)域有大量投入。“每個大型醫(yī)藥公司，甚至每個中型生物技術(shù)公司，都在這一領(lǐng)域有內(nèi)部研發(fā)工作，或者合作關(guān)系。”Kymera公司的首席科技官Nello Mainolfi博士說。

       “2019年到2021年將是這一領(lǐng)域爆發(fā)的時期。”C4 Therapeutics公司的首席執(zhí)行官Andrew Phillips博士說。

       除了使用雙功能靶向降解劑以外，有些公司致力于利用細(xì)胞蛋白酶體機制中的其它部分來達到降解那些不可成藥靶標(biāo)的目的。

       Cedilla Therapeutics公司的科學(xué)家們在探索更廣闊的手段。“細(xì)胞中存在調(diào)控任何蛋白的豐度的機制，這些機制也會調(diào)節(jié)功能異常、折疊錯誤或者合成錯誤蛋白的豐度，”該公司的首席科學(xué)官Brian Jones博士說：“所以我們的出發(fā)點是我們不需要人工募集任何蛋白，我們希望能夠利用這些內(nèi)在機制達到同樣的效果。”

       有些情況下，這可能包括找到能夠讓蛋白穩(wěn)定性下降的小分子，這會啟動細(xì)胞的蛋白質(zhì)量控制機制。另外，研究人員試圖發(fā)現(xiàn)和調(diào)控控制蛋白穩(wěn)定性和豐度的上游因子，例如轉(zhuǎn)譯后修飾機制。而且，擾亂蛋白與蛋白之間的相互作用和多靶標(biāo)復(fù)合體的生成，可能會讓某個靶標(biāo)出現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)上的“孤立”，從而驅(qū)動對它的降解。

       “我們公司的一個綜合目標(biāo)是確定蛋白降解的規(guī)則。”Cedilla公司首席執(zhí)行官Alexandra Glucksmann博士說。

       Mission Therapeutics，F(xiàn)orma Therapeutics等公司的主要研究方向是研發(fā)去泛素（DUB）過程的抑制劑。與其募集E3連接酶來提高對特定蛋白的泛素化，這些公司的策略是阻斷去除泛素標(biāo)簽，從而保護蛋白不受降解的機制。截至2017年9月，至少有15個DUB抑制劑處于臨床前開發(fā)階段。

       靶向蛋白降解劑的設(shè)計

       靶向降解劑最初在1999年開始進入專利文獻。當(dāng)時，Proteinix公司的研究人員遞交了使用小分子化合物，利用泛素機制降解特定蛋白的專利申請。兩年之后，耶魯大學(xué)（Yale University）的Craig Crews博士和加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）的Raymond Deshaies博士發(fā)表的研究使用了基于多肽的化合物，誘導(dǎo)針對2型蛋氨酸氨肽酶（METAP2）的泛素化和降解的發(fā)生。

       隨著Crews博士和他的同事不斷對他們的蛋白降解劑進行改良，這些名為蛋白降解靶向嵌合體（PROTACs）的化合物逐漸從新奇的化合物演變?yōu)橐环N醫(yī)藥模式。到2008年時，他們可以從研發(fā)的分子中去除多肽的成分，設(shè)計出全小分子降解劑。他們能夠與AR結(jié)合，并且通過讓AR來到名為MDM2的E3連接酶附近，引發(fā)蛋白降解。在2013年，Crews博士創(chuàng)建了Arvinas公司來將這一技術(shù)進一步開發(fā)進入臨床期。

       同期，研究人員開始揭示免疫調(diào)節(jié)性的度胺類藥物的生物學(xué)機制，這些藥物包括沙利度胺（thalidomide），來那度胺（lenalidomide）和泊馬度胺（pomalidomide）。在發(fā)現(xiàn)這些化合物能夠與名為cereblon的E3連接酶結(jié)合后，研究人員開始考慮探索使用它們作為靶向降解劑的可能。在2015年，當(dāng)時在丹娜-法伯癌癥研究所的Jay Bradner博士與他同事的研究表明，他們可以利用這一活性驅(qū)動針對BET家族蛋白的靶向降解。他們把這些降解劑命名為“degronimids”，并且聯(lián)合創(chuàng)建了C4 Therapeutics公司。

       不管這些降解劑的名字是什么，這些靶向降解策略的機制都像一種分子膠水。它們是一種雙功能性小分子，通過一個鏈接，將與靶標(biāo)結(jié)合的部分與募集E3連接酶的部分結(jié)合在一起，通過將靶標(biāo)蛋白與E3連接酶拉到一起，讓特異性靶標(biāo)的泛素化和隨后的蛋白降解得以發(fā)生。

       然而，最初，研究人員無法確定這一策略能否產(chǎn)生能夠進入臨床試驗的小分子。研究人員擔(dān)心這種分子量大，結(jié)構(gòu)可能比較松散的化合物很難被優(yōu)化成為具有生物利用度高，高特異性，耐受性好等藥物特征的化合物。但是隨著第一批化合物即將進入臨床試驗，它們的前景正變得更為光明。

       “它們是一些看起來結(jié)構(gòu)比較異常，甚至可以說滑稽的分子。”Phillips博士說。然而過去幾年的研究表明“它們很令人驚訝地具備正常的藥學(xué)特性。”他補充道。多家公司的內(nèi)部分析表明，這些化合物可溶性優(yōu)異，能夠滲透進入細(xì)胞，可以口服，并且能夠抵抗代謝過程的降解，甚至有些可以跨越血腦屏障。

       最初研究人員希望靶向降解劑可能成為模塊化平臺，這意味著任何靶標(biāo)結(jié)合配體能夠與一個“即插即用”的鏈接和E3募集子搭配在一起構(gòu)成一款藥物。然而目前這一愿望還未能實現(xiàn)。

       與之相反，業(yè)界的研究表明，靶標(biāo)、降解劑和E3連接酶之間構(gòu)成的三元結(jié)構(gòu)（ternary structure）非常重要。這個結(jié)構(gòu)最微小的改變可能影響藥物的作用方式。在有些情況下，這可以解釋為什么有些特異性很差的靶標(biāo)結(jié)合配體當(dāng)轉(zhuǎn)化為降解劑時卻表現(xiàn)出了超強的特異性。而在其它情況下，對任一部件的微小改變能夠?qū)⒔到鈩┑幕钚酝耆?/p>

       “這不是一個即插即用的系統(tǒng)，”Phillips博士說：“由于合成策略上的原因，化學(xué)家們喜歡把一個系統(tǒng)拆分成組成它的每個部件。但是過去幾百年的經(jīng)驗反復(fù)告訴我們的是，一個系統(tǒng)并不是所有部件的簡單疊加，對于降解劑來說也是如此。”Phillips博士說。

       因此，C4 Therapeutics公司的策略力圖優(yōu)化化合物激活泛素系統(tǒng)的能力，而不只是將靶標(biāo)和連接酶拉近的能力。“你當(dāng)然需要把它們拉到一起，但是那本身是不夠的。你還需要激活這個過程，”Phillips博士說：“我們需要對降解劑的作用方式有一個整體上的理解。”

       Mainolfi博士指出，只專注于三元復(fù)合體的形成可能也是“短視”的。在有些情況下，即使蛋白泛素化成功，也不能保證靶標(biāo)會被遞送到蛋白酶體中進行降解。“還有很多東西我們不知道。”他說。

       這一表述也適用于對連接酶的理解。人體中有大約600種E3連接酶，它們有各自獨特的活性和分布特征。募集到合適的連接酶與靶標(biāo)蛋白結(jié)合是一個研發(fā)項目能否成功的關(guān)鍵之一，Mainolfi博士說。如果一個靶標(biāo)可以在沒有副作用的情況下在全身被敲除，Kymera公司的團隊可能會選擇一種廣泛表達的E3連接酶。然而如果他們需要一個更為寬廣的治療窗口，團隊可能會聚焦于傾向在特定組織種類或癌細(xì)胞種類中表達的連接酶。不同E3連接酶的亞細(xì)胞分布也不一樣，這提供了進一步調(diào)節(jié)特異性的機會。

       目前只有5到6種E3連接酶得到公開驗證，可以被用在靶向降解劑中，Mainolfi博士說。不過Kymera和其它公司正在對其它E3連接酶進行驗證，力圖在科學(xué)家的工具箱中添加更多工具。

       靶向蛋白降解劑的優(yōu)勢

       靶向降解劑的理論優(yōu)勢是他們能夠讓原先無法成藥的靶標(biāo)可以被藥物靶向。小分子抑制劑通常需要阻斷催化位點或者與能夠影響蛋白功能的“口袋”結(jié)合，然而，靶向降解劑理論上可以與蛋白上的任何角落結(jié)合來驅(qū)動蛋白降解。“這開啟了一部分目前還不能被藥物有效靶向的人類生物學(xué)。”Phillips博士說。

       然而這一手段的局限性可能被人忽略了，他警告說：“目前仍然有很大數(shù)量的靶標(biāo)沒有任何配體能夠與它們結(jié)合。如果沒有配體的話，我沒辦法給你構(gòu)建一個降解劑。”像Myc這樣長時間來都很吸引人的靶點，即使利用降解劑技術(shù)，目前仍然無法靶向。”他補充道。

       “目前我認(rèn)為業(yè)界還未解決的最重要的問題是：哪些是能夠與配體結(jié)合的靶標(biāo)？”Mainolfi博士說。

       Bradner博士對這一領(lǐng)域的進展保持樂觀，他認(rèn)為大多數(shù)靶標(biāo)終將能夠被靶向。“我的直覺是大多數(shù)蛋白的靶向問題可以通過小分子發(fā)現(xiàn)化學(xué)過程得到解決。這可能通過直接與小分子結(jié)合，或者通過一種像分子膠水一樣的活性，讓一個分子與靶標(biāo)蛋白交聯(lián)，”他說：“雖然這只是一個感覺，但是我認(rèn)為目前沒法解決的靶標(biāo)能夠使用這種化學(xué)手段解決。”諾華生物醫(yī)學(xué)研究中心（NIBR）的科學(xué)家們已經(jīng)成功針對40多個靶標(biāo)誘發(fā)靶向降解，他說，其中很多靶標(biāo)曾經(jīng)被認(rèn)為不可成藥。

       由于這一領(lǐng)域競爭非常激烈， 很多公司沒有透露它們研究的靶標(biāo)。然而，從幾個公開的靶標(biāo)中我們也能一窺這一技術(shù)的潛力。

       Arvinas公司的兩款主打候選產(chǎn)品的靶標(biāo)是AR和ER。這兩個靶標(biāo)都是臨床驗證過的靶標(biāo)，而且已經(jīng)有獲批療法針對這些靶標(biāo)。該公司首席執(zhí)行官John Houston博士表示，這是公司的創(chuàng)始人刻意的選擇，他們認(rèn)為這有機會讓靶向降解的技術(shù)顯示出它的潛力，并且通過與其它靶向藥物的比較，幫助對這一技術(shù)進行優(yōu)化。Houston博士指出，雖然靶標(biāo)并不新穎，但是靶向降解技術(shù)仍然能夠顯示出超出傳統(tǒng)療法的優(yōu)勢。

       比如對于AR這一靶標(biāo)來說，獲批的小分子藥物需要與蛋白一直結(jié)合才能抑制蛋白活性，因此，當(dāng)藥物被從體內(nèi)清除或者替代蛋白過多時，它們的活性就會消失。大部分患者會對AR拮抗劑enzalutamide產(chǎn)生抗性，因為癌細(xì)胞可以提高雄激素或者AR的生成水平，或者產(chǎn)生AR突變體。這些患者不再對療法產(chǎn)生響應(yīng)。

       像其它靶向降解劑一樣，ARV-110的活性是基于對靶標(biāo)蛋白降解過程的催化。這意味著，Arvinas的候選藥物可以少于靶標(biāo)蛋白，而通常的小分子抑制劑的數(shù)量要多于靶標(biāo)。降低藥物的使用劑量可能帶來更好的副作用特征，Talyor博士解釋道。

       另一個靶向降解劑的優(yōu)勢在于，即使藥物被排出，它們的作用仍然可以得到延續(xù)，直到細(xì)胞重新合成被降解的蛋白為止。“我們從多個研究項目中獲得的數(shù)據(jù)表明，PROTACs的催化活性，能夠讓它們降解掉細(xì)胞試圖生成的新增蛋白。而這通常是癌癥的抗性機制之一。”Taylor博士說。在有些情況下，這些藥物可能幫助延緩抗性的產(chǎn)生。

       當(dāng)這些臨床試驗結(jié)束后，人們將關(guān)注這些非常規(guī)降解劑化合物的吸收、分布、代謝和清除特性，看看它們的表現(xiàn)能否達到口服施藥的預(yù)期。這一領(lǐng)域同時想知道這些藥物能夠?qū)⒌鞍姿浇档偷绞裁闯潭?，蛋白降解的速度與蛋白的重新合成速度之間的對比，以及這些數(shù)據(jù)和動物模型中的數(shù)據(jù)是否吻合。

       “靶向降解劑分子的潛力是它們可能將藥效學(xué)和藥代動力學(xué)分離開，這意味著短暫的降解劑作用可能導(dǎo)致對信號通路的長久影響，”Bradner博士說：“所以藥效學(xué)和藥代動力學(xué)之間的關(guān)系將是人們非常有興趣關(guān)注的問題。”

       而當(dāng)這一領(lǐng)域的先驅(qū)公布目前仍然保密的藥物結(jié)構(gòu)時，其它研究人員將會迅速把從中學(xué)到的經(jīng)驗帶回到自己的研發(fā)項目中。“我很好奇，他們是針對哪些參數(shù)進行了優(yōu)化，才將臨床前項目推進到了臨床期。我也很想知道他們的化合物長得是什么樣子，實話說，我覺得它們的結(jié)構(gòu)跟我們的降解劑的結(jié)構(gòu)很不一樣。”Mainolfi博士說。“我們希望最初幾個化合物的臨床試驗結(jié)果獲得成功。”他補充道。

       靶向蛋白降解劑的廣闊天地

       Kymera公司靶向IRAK4的蛋白降解劑表現(xiàn)出靶向降解劑的另一類近期機會。IRAK4是一種蛋白激酶，它在先天免疫系統(tǒng)中有關(guān)鍵性作用，并且與多種癌癥相關(guān)。雖然小分子抑制劑能夠阻斷IRAK4的激酶作用，但是這一蛋白還有一個不依賴于激酶的作用。它可以作為骨架蛋白，幫助先天免疫系統(tǒng)的myddosome蛋白復(fù)合體的構(gòu)建。

       “基于遺傳敲低和敲除實驗，我們認(rèn)為通過蛋白降解，我們能夠達到完全獨特而且優(yōu)于抑制劑達到的表型。”Mainolfi博士說。Kymera公司在去年的美國血液學(xué)會年會上發(fā)布了IRAK4降解劑的臨床前數(shù)據(jù)，并且計劃在2020年上半年將這一項目推進臨床期。這一策略也可以被用于其它骨架蛋白，包括RIP蛋白激酶，和其它非酶類蛋白和轉(zhuǎn)錄因子。

       中樞神經(jīng)系統(tǒng)的靶標(biāo)正在成為研究人員探索的方向。例如，藥物研發(fā)人員已經(jīng)在試圖開發(fā)抗體、反義療法或者基于基因療法的手段來敲低tau蛋白和α-突觸核蛋白。但是這些治療方式在穿越血腦屏障和施用方式方面都存在挑戰(zhàn)，靶向降解劑可能是一種更好的研發(fā)方向。Arvinas已經(jīng)在開發(fā)能夠穿越血腦屏障的靶向tau蛋白的化合物方面取得了進展。該公司同時在開發(fā)靶向α-突觸核蛋白的靶向降解劑，用于治療帕金森病。

       C4 Therapeutics和渤?。˙iogen）也在今年一月達成合作，共同開發(fā)治療阿茲海默病和帕金森病的靶向蛋白降解療法。

       而這項技術(shù)有著更為廣闊的前景，Mainolfi博士說：“我們有機會用寡核苷酸和CRISPR療法目前還不能做到的方法，在全身敲低廣泛的靶標(biāo)。而且我們在達到這一目標(biāo)的同時，還擁有小分子化合物的可塑性和可擴展性。這可能是藥物開發(fā)領(lǐng)域顛覆性的技術(shù)。”

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