新模态分析:从小分子、多肽,到寡核苷酸、生物制剂


 

 

 

在过去的二十年中,药物开发经历了日新月异的模态(Modality)发展。制药行业的科学家现在可以跨多种方式制定战略,从受体成药性和分子类药性方面实现革命性的突破。不仅在分子设计方面实现了明显多样化,而且创新的药物递送方法也是一日千里突飞猛进。

 

ACS Medical Chemistry Letter的Advancing New Chemical Modalities into Clinical Studies文章,评估了小分子、多肽、寡核苷酸和生物制剂中出现的新模态,为明天的药物设计与开发提供了借鉴。[1]

 

从2021年1月到2022年9月中旬,共有70种药物获得FDA批准。大多数仍然是小分子(36种药物,52%)。

 
图1. FDA CDER 2021-2022年9月批准的药物类型分布图(图片来源:ACS Med. Chem. Lett.)
 

● 小分子药物的优点之一是可以灵活地使用不同的给药途径。因此,除了主要的和传统的口服途径外,还包括局部用药(例如Vtama®,治疗斑块状银屑病)、肌内注射(Cabenuva®, 治疗 HIV)和静脉内用药(Cosela®,缓解小细胞肺癌化疗引起的骨髓抑制)(图 2)

 
图2. FDA CDER 2021-2022年9月批准的药物的递送方式(图片来源:ACS Med. Chem. Lett.)
 

● 生物制剂是第二大类,CDER批准了21种药物(30%),主要用于肠胃外给药(IV或SC),有一种批准用于玻璃体内注射(IVT;Vabysmo®用于治疗年龄相关性黄斑退化)

 

● 多肽与拟肽有8种药物(11%)批准,用于IV或SC给药。

 

● 有3种基于寡核苷酸的药物获得批准(4%):Amvuttra(siRNA,SC 注射液,用于治疗遗传性转甲状腺素蛋白介导的淀粉样变性多发性神经病),Leqvio(siRNA,SC注射液,用于治疗杂合子家族性高胆固醇血症)和Amondys 45(一种反义寡核苷酸,于2021年获批用于通过静脉注射治疗杜氏肌营养不良症)

 

● 在bRo5(beyond Rule of Five, 违反利平斯基5规则)范畴内,有2种化合物(3%)获得批准:Vonjo(Pacritinib),一种JAK2小环抑制剂,用于口服治疗成人低血小板的中度或高风险骨髓纤维化;以及Lupkynis(Voclosporin),一种钙调磷酸酶环肽抑制剂,用于口服治疗狼疮性肾炎。

 

图3. Pacritinib和Voclosporin化学结构

 
 
1
小分子药物新模态

 

 合成小分子药物一直是新药中的主力军,它们的持续成功来自于它们调节目标的多功能性。同时由于其物理化学特性(例如利平斯基5规则规定的分子量MW < 500,以及适当的分配系数),而跨越生物屏障。小分子药物更容易实现的高口服生物利用度,可以更容易地实现片剂给药(与生物制剂或其他方式相比具有显著优势)。

 

小分子药物仍然是中枢神经系统(CNS)靶向治疗的首选。围绕这种模式的分子设计和易于实现的被动渗透性,促进了实现大脑渗透的目标。[2] 小分子药物的另一个重要优势是免疫原性的低风险(与生物制剂的关键区别)

 

传统小分子方兴未艾,新型小分子药物也逐渐出现在了人们的视野之中,包括变构调节剂(allosteric modulators)和共价抑制剂(covalent inhibitors)等类型的小分子药物。

 

在药理学和生物化学中,变构调节剂是一组与受体结合以改变受体的反应活性的物质。变构调节剂结合的位点(即变构位点allosteric site)与受体的内源性激动剂结合的位点(即正构位点orthosteric site)不是同一位点。

 

变构调节剂可以根据作用结果分为三大类:Positive、negative或neutral。Positive类型通过与受体的结合,造成了受体与其激动剂亲和力的增加。与之相反,negative类型变构调节剂与受体的结合,会降低受体与激动剂的亲和力。中性类型则不影响激动剂活性,但可以阻止其他调节剂与变构位点结合。

 

“变构allosteric”一词源自希腊语。Allos的意思是“其他”,stereos的意思是“固体”或“形状”。这个组合词表示受体由调节剂引起的构象变化,调节剂通过这些变化影响受体生物学功能。

 

变构调节剂与正构激动剂(orthosteric agonists)或正构抑制剂(orthosteric antagonists)相比具有明显优势,主要在于变构调节剂具有更高的选择性和药理学特征的调节,可实现更高的安全性。[3] 例如2021年批准的用于肿瘤学的变构抑制剂Scemblix(asciminib)。该化合物是一种激酶抑制剂,结合在ABL1肉豆蔻酸口袋,导致内源性激活机制产生的BCR-ABL1处于非活性状态。 

 

图4. Ascinimib化学结构

 

共价药物在抗SARS-CoV-19病毒中显示了它强大的能力。重症Covid-19药物Paxlovid中的活性物质nirmatrelvir(图5)就是一款靶向受体蛋白的共价药物。Nirmatrelvir上的亲电基团氰基,与靶标3CLPRO蛋白酶上的关键Cys145残基之间发生共价反应,形成新的共价键硫代亚胺酸酯(图6)。这个过程有别于传统的药物与受体通过非共价键结合的机理,代表了共价药物强大的效力。

 

图5. Nirmatrelvir化学结构

 

图6. 氰基与半胱氨酸巯基之间的化学反应

 

除了nirmatrelvir之外,其它著名共价药物还包括:Imbruvica(ibrutinib,图7),一种布鲁顿酪氨酸激酶(BTK)的共价抑制剂,于2013年获批用于治疗B细胞癌;以及Lumakras(sotorasib,图7),另一种KRAS的肿瘤学共价抑制剂,可选择性地结合仅存在于G12C突变形式中的半胱氨酸残基。这种方法彻底改变了曾经被认为不可药用的KRAS靶标领域。

 

图7. Ibrutinib和Sotorasib化学结构。

 

在小分子药物范畴内,人们对新模式PROTAC(proteolysis targeting chimeras)和其他双功能降解剂(bifunctional degraders)也产生了浓厚的兴趣。这些类型的化合物往往违背了经典的口服药物“利平斯基5 规则”。例如分子量在500和1200 Da。

 

PROTAC是指蛋白水解靶向嵌合体,是一种异双功能药物偶联物,其结构通常包含两个小分子区域,一个与目标靶蛋白结合,另一个与E3连接酶结合。这种利用E3连接酶机制的方法,通过将泛素转移到蛋白质底物并将蛋白底物降解,实现强大的药效。

 

基于分子量和化合物内在特性,实现这些双功能分子的口服生物利用度和细胞渗透性可能具有挑战性。目前,许多药物化学都专注于这种模式的口服药设计。Arvinas 一直是这种方法的先驱,它们的化合物(ARV-110和ARV-471)进入了肿瘤学临床研究,并引领了该领域的飞跃式发展[4]

 

降解模式内的新变化来自于分子胶(molecular glues)、去泛素酶靶向嵌合体(DUBTAC,deubiquitinase-targeting chimeras)和溶酶体靶向嵌合体(LYTAC,lysosomal-targeting chimeras)。分子胶基于一种接近诱导的靶蛋白降解方法,利用蛋白质与E3泛素连接酶的相互作用。分子胶是单功能的,比PROTAC小,因此更符合小分子药物特性。DUBTAC是去泛素化酶的异双功能小分子募集剂,用于稳定靶向蛋白质。LYTAC具有高分子量,因此口服给药机会相对较差。

 

 
2
多肽药物新模态

 

通常来说,多肽治疗剂的发展经常受到膜渗透性低、血浆稳定性差和口服生物利用度有限的阻碍。但多肽的肝脏代谢通常不显著,并且药物-药物相互作用(DDI, Drug-Drug Interaction)风险较低,脱靶造成的安全性问题也较小分子药物更低。多肽药物的递送方式,受制于缺乏合适的肠道吸收,需要通过肠胃外给药(通过IV或SC注射)。出于同样的原因,多肽分子通常不能穿过血脑屏障,从而减少了CNS适应症的选择。

 

一些天然环肽具有天赋精妙的独特结构特征,如环孢菌素cyclosporin,具有显著的渗透性。这些发现激发了科研人员通过修饰天然多肽,制造拟肽的手段,来实现增强多肽分子的膜渗透性和肠道稳定性的目标。稳定肽的一种关键方法是设计环状或受限肽(钉合stapled、缝合stitched或环肽cyclotide)

 

侧重于较小尺寸的肽,以改善它们的细胞穿透属性和PK曲线。这些策略平衡了亲脂性和溶解性特性,以及构象灵活性(“变色龙性”),以根据环境的极性采取不同的空间构型[5] 具体策略包括,通过分子内氢键的方式降低主链肽键极性,N-甲基化,β-支链侧链减少极性表面积等,目标是增加多肽分子的渗透性[6] 此外,环状或受限肽增强了肽分子对蛋白水解酶的抵抗力。

 

多肽制剂方法方面的创新,例如渗透增强剂PE,permeation enhancers),可以增加多肽在肠内的吸收。大分子口服给药临床试验中使用的两种主要 PE 是SNAC(Salcaprozate sodium)和癸酸钠(C10,sodium caprate)(图8)。有一些制剂配方可以延长半衰期,并根据目标和患者群体定制PK曲线。

 

例如,多肽与脂肪酸(脂质化)或聚乙二醇(聚乙二醇化)的共价结合,通过所得到的修饰肽与白蛋白加强的结合,可以延长半衰期而不影响效力。纳米颗粒和胶束也可以增加肽的口服生物利用度[7] Semaglutide是利用脂质化和渗透增强剂实现口服多肽制剂的成功范例。

 

图8. 渗透增强剂SNAC和sodium caprate化学结构
 
 
3
寡核苷酸新模态

 

抗击SARS-CoV-2大流行而开发的基于RNA的疫苗极大地刺激了人们对 RNA 疗法的兴趣。在小RNA疗法领域,反义寡核苷酸(ASO,antisense oligonucleotides)和小干扰核糖核酸(siRNA,small interfering ribonucleic acid)是最杰出的代表。

 

ASO的分子量通常为4–10 kDa,siRNA 的分子量通常为12–15 kDa。它们的特点是电荷高,口服生物利用度差,主要通过静脉或皮下途径给药。由于是带负电荷的分子,寡核苷酸无法被动扩散穿过脂质膜,导致细胞摄取非常有限。目前的研究重点是使用非病毒传递系统释放RNA,以规避病毒载体的局限性(主要是预先存在的免疫性、病毒诱导的免疫原性、有效载荷大小限制和昂贵的载体生产)

 

寡核苷酸的细胞摄取通常通过内吞作用发生。内吞作用后,第二个问题是从核内体充分释放到胞质溶胶中。促进“内体逃逸(endosomal escape)”的方法包括(1)寡核苷酸的化学修饰;(2)脂质纳米颗粒制剂(liposome nanoparticles)(3)通过将寡核苷酸加载到生物囊泡(biological vesicles)中探索内源性递送途径。

 

图9. 寡核苷酸药物中最常见的化学修饰。B = 碱基,包括胞嘧啶、鸟嘌呤、腺嘌呤和尿嘧啶。(图片来源:ACS Med. Chem. Lett.)

 

寡核苷酸的不稳定性,主要体现在被血清核酸酶降解并通过肝脏和肾脏排泄。为了解决这个问题,大多数批准的ASO都具有硫衍生的连接(硫代磷酸酯phosphorothioate,PS,图9[8] 将硫掺入磷酸接头增加了对血清核酸酶水解的抵抗力,并增加了循环过程中的稳定性。

 

另一个优势是PS接头能够结合血清白蛋白和其他细胞内蛋白,避免快速肾脏排泄。PS的加入导致整体PK概况、广泛分布、组织递送、细胞摄取、细胞内运输、目标效力和安全性的改善。这种方法还有助于有效输送到肝脏以外的其他组织。目前可用的治疗性寡核苷酸是PS修饰的两种立体异构体(Rp和Sp)的复杂异构体混合物图 9

 

SC给药后,ASO被迅速吸收,通常在0.25到5小时之间达到Tmax。此外,人们还应用特定的化学修饰来进一步提高效力、结合亲和力和代谢稳定性。大多数化学变化都集中在核糖中的 2'-取代,特别是用 2'-O-甲氧基乙基(MOE)或2'-O-甲基(2'-OMe)取代 2'-羟基 ,双环2,4'-O-亚甲基桥(即locked nucleic acid  (LNA))和氟取代等(图 9)

 

siRNA 作为有前途的基因沉默治疗方式引起了人们的极大兴趣。然而,它们的药代动力学特征和细胞吸收仍然是挑战。双链RNA需要进行化学修饰以提高血清稳定性、最大限度地降低免疫原性并增强效力。与ASO类似,标准的化学改变包括替换核糖中的 2'-羟基(图 9)

 

其他药物化学修饰也是一个活跃的研究领域。由于siRNA只需要传递到细胞核外,与ASO相比,其他传递方法,诸如脂质纳米粒子和GalNAc结合物,也得到了深入的研究[9] 由于细胞渗透性和酶稳定性差,口服递送寡核苷酸方法仍然是一项重大挑战。因此,即使在临床前评估期间,也需要通过对输送系统和制剂进行早期探索来解决这些问题。

 

 
4
生物制剂

 

在过去几年中,FDA 批准了多种基于抗体的治疗药物,包括单克隆抗体(mAb)和抗体药物偶联物(ADC),并于2021年达到了第100种单克隆抗体的里程碑。除了单克隆抗体和双特异性抗体,其他模态,如纳米抗体nanobodies(单域抗体片段single-domain antibody fragment)正逐渐被人们接受,caplacizumab于2019年获得批准。目前,有超过55项基于抗体的研究处于后期临床试验阶段[10] 该领域有望在广泛的疾病领域提供关键治疗,例如癌症、心血管疾病、炎症、自身免疫性疾病、传染病和神经系统疾病。
 
生物制剂的优势在于它们具有高亲和力、效力,特别是比传统小分子药物更少的脱靶毒性。分子量、二级和三级结构、疏水性和电荷特征、翻译后修饰(例如糖基化、甲基化),以及代谢和热稳定性等物理化学和生物特性,在其药代动力学特征和开发过程中起着至关重要的作用。

 

由于吸收性差,抗体主要通过肠胃外给药(SC、IM 和 IV 途径)。当皮下给药时,mAb的吸收和分布可能很慢,在注射后6-9天达到峰值浓度。大的生物分子由于其大小、复杂性和亲水性而无法广泛分布,并且难以有效地到达组织和靶位点。精确的给药途径取决于目标剂量。开发人员一直在努力实现生物大分子的口服递送,重点是基于纳米药物的策略和其他药物递送技术[11]

 

生物制剂的鞘内(IT,intrathecal)注射提供了大分子进入脑脊液(CSF,cerebrospinal fluid)和中枢神经系统的通路,从而绕过了血脑屏障。但这种给药途径的利益,需要与侵入性、疾病和患者群体、安全性和有效性相平衡。

 

从安全的角度来看,生物制剂往往具有高度的物种特异性,显示出显著降低的毒性风险。但它们与 小分子相比,具有更高的免疫原性风险。它们的免疫原性反应会极大地影响这种模式的安全性、PK和PD概况,从而使它们的开发更加困难。
 

 

— 总结 
 
 

尽管2021到2022年的CDER批准药物并不一定具有绝对的普遍性,但是它仍然是最新的结果。从获批药物的类型分类、结构、理化性质和递送方式,我们仍然可以看出最新的NCE发展趋势。小分子药物无疑仍是NCE中的主力成分,而且出现了更多的违反利平斯基5规则的口服制剂,这代表者开发者越来越摆脱传统的口服药物设计的束缚,可能代表着制剂水平和递送方式的不断进步。

 

尤其是变构调价剂和共价抑制剂的突破,大大冲破了小分子药物在设计过程中受到的受体不可成药性(undruggability)和候选药类药性(drug-likeness)的桎梏,扩展了小分子口服药的设计空间,可以说在一定程度上实现了革命性的突破。相信随着制剂和递送方式的不断深入研究,小分子药物中将出现更新的模态,继续推动小分子制药业的创新活动。

 

除了小分子之外,多肽、寡核苷酸和生物制剂也在各自的领域内实现了不同程度的突破。化学改性和制剂手段的共同作用,也将为这些类型的药物提供更新的模态,在药效、安全性、患者中心和依从性上实现更大的进步。

 
参考文献: (上下滑动查看更多)

[1] Blanco, M.-J. et al. Advancing New Chemical Modalities into Clinical Studies. ACS Med. Chem. Lett. 2022, 13, 11, 1691–1698. 

 

[2] Li, D. et al. The Critical Role of Passive Permeability in Designing Successful Drugs.  ChemMedChem. 2020, 15, 1862-1874. 

 

[3] Han, B. et al. Impact of Allosteric Modulation in Drug Discovery: Innovation in Emerging Chemical Modalities. ACS Medicinal Chemistry Letters. 2020, 11, 1810-1819. 

 

[4] Garber, K. The PROTAC gold rush. Nature Biotechnology. 2022, 40, 12-16. 

 

[5] Dongjae, L. et al. Interplay among Conformation, Intramolecular Hydrogen Bonds, and Chameleonicity in the Membrane Permeability and Cyclophilin A Binding of Macrocyclic Peptide Cyclosporin O Derivatives. Journal of Medicinal Chemistry. 2021, 64, 8272-8286.

 

[6] Sheikh, A. et al. Implications of the Conformationally Flexible, Macrocyclic Structure of the First-Generation, Direct-Acting Anti-Viral Paritaprevir on Its Solid Form Complexity and Chameleonic Behavior. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 17479-17491.

 

[7] Zizzari, A. et al. New Perspectives in oral peptide delivery. Drug Discovery Today. 2021, 26, 1097-1105.

 

[8] Crooke, S. T. et al. Phosphorothioate modified oligonucleotide-protein interactions. Nucleic acids research. 2020, 48, 5235-5253.

 

[9] Rudra, A. et al. Trends in Therapeutic Conjugates: Bench to Clinic. Bioconjugate Chemistry. 2020, 31, 462-473. 

 

[10] ClinicalTrials.gov 

 

[11] Duran-Lobato, M. et al. Oral delivery of biologics for precision medicine. Advanced Materials (Weinheim, Germany). 2020, 32, 1901935. 

 

 

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