Nature：多特異性藥物引領現(xiàn)代制藥工業(yè)的第四次革命性浪潮

       近日，美國藝術與科學院、美國國家科學院兩院院 士Raymond J. Deshaies 教授在Nature雜志發(fā)表了題為Multispecific drugs herald a new era of biopharmaceutical innovation的文章 [1] ，對制藥行業(yè)當前的熱點“多特異性藥物（multispecific drug）”進行了介紹。該綜述簡述了現(xiàn)代制藥工業(yè)的四次革命性浪潮，重點對帶來第四次革命浪潮的多特異性藥物進行了全面詳實的闡述，并強調了其可能存在的挑戰(zhàn)。

一、現(xiàn)代制藥工業(yè)的四次革命性浪潮

       第一次革命性浪潮，即現(xiàn)代制藥工業(yè)的起源，可以追溯到20世紀初，以神藥阿司匹林的市場營銷為標志，這是現(xiàn)代藥物發(fā)展史上的一個標志性事件。該階段藥物研發(fā)強調在培養(yǎng)液或生物提取物中尋找對細胞或有機體有預期治療效果的活性物質，并對活性物質的化學成分進行鑒定并制成藥物。此次浪潮啟動了現(xiàn)代制藥工業(yè)，產(chǎn)生了一大批造福人類的藥物。然而這種藥物研發(fā)方式有其局限性，即藥物的分子靶點往往是未知的，因此很難優(yōu)化藥物以增強其療效或耐受性，或預測藥物協(xié)同組合。

圖1  現(xiàn)代制藥工業(yè)史的四次革命性浪潮 （來源于參考文獻[1]）

       第二次革命性浪潮 從 20 世紀70年代開始，以理性藥物發(fā)現(xiàn)方法學取代經(jīng)典的經(jīng)驗藥理學為標志。這種藥物研發(fā)方式的核心是一個靶點一個藥（one target one drug，1T1D），即先明確一個靶點，然后針對該靶點進行藥物篩選和設計。1T1D方法的使用，加上高通量篩選和基于結構的藥物設計，已經(jīng)很好地應用于制藥行業(yè)，并催化了數(shù)百種小分子和生物藥物的開發(fā)。Squibb開發(fā)的血管緊張素轉換酶抑制劑——卡托普利便是一個典型案例。

       第三次革命性浪潮 從20世紀80年代開始，以基于重組蛋白的治療藥物為標志。重組DNA方法的發(fā)明開啟了生物技術產(chǎn)業(yè)，1982年，第一個重組人胰島素（humulin）獲得批準；1985年，第一個單克隆抗體 muromonab 被用作治療試劑。雖然重組蛋白藥物在結構上比小分子復雜，但這兩種藥物的作用機制相似，都與預定的分子靶點結合并調節(jié)其功能。

       近年來，越來越多的雙特異性藥物（或者更普遍地指多特異性藥物）開始發(fā)揮重要作用，現(xiàn)代制藥工業(yè)史也隨之出現(xiàn)了第四次藥物革命性浪潮，即多特異性藥物的出現(xiàn)。雖然到目前為止，只有四種 前瞻性設計開發(fā)的多特異性藥物 被 批準（表1），但這波浪潮正在迅速形成。在安進（Amgen）公司，通過I期臨床試驗的管線藥物中約有三分之二是多特異性藥物。這些前瞻性設計的多特異性藥物的成功開發(fā)，讓科學家們重新思考如何設計開發(fā)新一代藥物。在本文中，作者將多特異性藥物分為兩大類：一類是能夠在特定作用位點上發(fā)揮作用的藥物，另一類是治療藥物與生物效應器相偶聯(lián)的藥物。

表1  四種已批準的前瞻性設計開發(fā)的多特異性藥物

二、多特異性藥物

       那么什么是多特異性藥物，與經(jīng)典的理性藥物設計有什么區(qū)別？如圖2的左圖所示，理性藥物設計遵循一個靶點一個藥1T1D原則，藥物與靶點直接結合，形成明確的單一藥物靶點結合界面，這種結合通過促進或抑制靶點功能而發(fā)揮作用。另外，經(jīng)典藥物的另外一個特點是它們通常在全身都能發(fā)揮作用，不具有組織特異性。

       與之不同的是， 專性多特異性藥物 通過兩個或兩個以上的實體起作用，使藥物活性限制在一個特定的位置，或將靶標錨定到內源性效應器旁邊，讓該效應器對靶標進行調節(jié)。專性多特異性藥物的特點主要是形成2個或多個藥物靶點結合界面，如圖2的右圖所示，MZ1與靶標BRD4和內源性效應器泛素連接酶亞 基 VHL 同 時結合，將BRD4錨到VHL附近，使VHL對BRD4進行泛素化修飾，然后被蛋白酶體降解。

圖2  多特異性藥物與經(jīng)典的理性藥物的區(qū)別 （來源于參考文獻[1]）

       多特異性藥物的分類

       作者將多特異性藥物分為兩大類：一類是在特定作用位點上提高治療效果的藥物，即 Tetherbodies （包括SOMs 和COMLs）；另一類是將治療靶點與生物效應器聯(lián)系起來的藥物，即Matchmakers（COMMS）。

       SOMs （sequentially binding obligatemultispecific drugs），即順序結合專性多特異性藥物（見圖3a,b），例如常見的抗體偶聯(lián)藥物。抗體偶聯(lián)藥物將抗體與細胞**化合物相偶聯(lián)?？贵w部分與表達于腫瘤細胞表面的蛋白結合，抗體藥物與抗原的結合使細胞**化合物在腫瘤細胞處富集?？贵w偶聯(lián)藥物隨后進入腫瘤細胞中發(fā)揮細胞**作用，從而殺死腫瘤細胞。該藥物的錨定過程和殺死細胞過程具有先后順序，因此得名。第一個前瞻性設計和批準的SOMs是抗體偶聯(lián)藥物 gemtuzumab ozogamicin（商標名Mylotarg，吉妥珠單抗），用于治療急性髓系白血病。該藥物的靶點是核DNA，核DNA被ozogamicin 裂解。而gemtuzumab則與白血病母細胞上表達的CD33結合。

       COMLs (concurrently binding obligatemultispecific drugs that mediate localization) ，即介導定位的同時結合專性多特異性藥物（見圖3c）。它是SOMs的一種適度的變體，COMLs的錨定位點和藥物作用靶點定位于同一個部位，并且錨定過程和對靶點的調節(jié)過程同時發(fā)生，因此得名。COMLs的一個例子是抗體細胞因子融合藥物。細胞因子IL-2可以增強腫瘤的免疫攻擊，但是當它們被系統(tǒng)傳遞時可能會產(chǎn)生副作用，從而限制了它們的使用。一種解決方案是降低IL-2對其受體的親和力，并將其與一種能與腫瘤限制性細胞表面抗原結合的抗體相連接，這樣IL-2只能在其受體集中的區(qū)域即腫瘤上富集，從而發(fā)揮作用，降低副作用。許多抗體細胞因子融合藥物正在開發(fā)中，但目前還沒有藥物進入市場。

圖3  在特定作用位點上提高治療效果的多特異性藥物Tetherbodies

       （a,b為SOMs，c為COMLs）  （來源于參考文獻[1]）

       COMMs （concurrently binding obligatemultispecific drugs that function as matchmakers ），即發(fā)揮媒介作用的同時結合專性多特異性藥物。COMMs發(fā)揮分子媒介作用，將靶標與效應體相連接，形成一個與效應體結合的界面和另一個與靶標結合的界面，從而拉近效應器與靶標的距離，使效應體作用于靶標。COMMS又可以細分為兩類，一類是基于小分子的COMMs，包括免疫抑制劑和植物激素（如環(huán)孢菌素cyclosporin、植物激素auxin、布雷菲德菌素A brefeldin A）、分子膠水（如沙利度胺）、PROTAC（靶向蛋白水解嵌合體，Proteolysis-targeting chimeric molecules）（圖4）；另一類則是基于生物大分子的COMMs，如雙特異性CD3激動劑BCEs和異源性雙功能IgG（圖5）。

圖4  基于小分子的COMMs （來源于參考文獻[1]）
 

圖5  基于生物大分子的COMMs （來源于參考文獻[1]）

       多特異性藥物帶來的挑戰(zhàn)

       由于多特異性藥物通常與兩個或兩個以上的實體相互作用，因此它們本質上比單一特異性藥物更復雜。這會影響它們的合成、優(yōu)化、藥代動力學、安全性、生產(chǎn)、臨床開發(fā)和商業(yè)化，藥物的研發(fā)更加復雜化。

       一旦產(chǎn)生了候選的多特異性生物藥物，臨床前藥代動力學和安全性評估可能會帶來獨特的挑戰(zhàn)。與單特異性藥物相比，多特異性藥物常常出現(xiàn)蛋白水解、聚集、物理不穩(wěn)定性和產(chǎn)量低的趨勢。嵌合蛋白常常在動物體內誘發(fā)抗藥物抗體，從而危及長期的毒理學研究，而雙特異性抗體可能表現(xiàn)出較差的藥代動力學行為，并通過非標準途徑清除。體內藥效和毒理學研究也可能因缺乏合適的動物模型而受挫。由于激活免疫攻擊的藥物可能導致嚴重的不良事件，因此BCEs的首次人體劑量由最低預期的生物效應水平?jīng)Q定，而不是最高的非嚴重**劑量，這可能會延長第一階段臨床試驗的劑量增加。

       除了開發(fā)方面的挑戰(zhàn)外，多特異性藥物的制造成本可能更高，分發(fā)和管理也更困難。多特異性藥物在生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性可能會發(fā)生變化，并會影響細胞培養(yǎng)過程的類型。另外，在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)出產(chǎn)量高、質量穩(wěn)定、雜質可忽略的均勻多特異性分子仍是一個挑戰(zhàn)。
 

三、展望

       目前我們站在醫(yī)藥工業(yè)變革的邊緣，可以想象不久的未來，會有大量越來越復雜的多特異性藥物誕生，包括生物的和小分子的多特異性藥物。特別是，多特異性小分子藥物有可能通過招募強大的細胞效應因子來調節(jié)包括蛋白質、核酸甚至細胞器在內的多種靶點，從而打開迄今為止不可用藥的細胞內蛋白質組。我們面臨的機會是巨大的，但要發(fā)展多特異性藥物，就必須在可接受的安全風險下，提供更好的療效。此外，還要考慮藥物生產(chǎn)的難易程度、藥物的穩(wěn)定性和給藥的劑量及方便性等問題。由于這些藥物的復雜性增加，這些問題可能會給一些多特異性藥物帶來挑戰(zhàn)。然而，生物制藥行業(yè)在過去的一個世紀里有了長足的進步,并且與生物學、化學、工程學以及計算機科學等學科有了更緊密的聯(lián)系，我們可以期待會有更具潛力和更特異性的分子藥物來治療疾病，造福人類。

       參考文獻

       [1] Raymond J. Deshaies.Multispecific drugs herald a new era of biopharmaceutical innovation. Nature,2020, 580:329-338. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2168-1