如何开发下一款Enhertu?关于ADC的百年创新链


 

 

或许,在埃尔利希(Ehrlich)提出“魔法子弹”那一刻,他怎么也想不到,这个杀死肿瘤的“特洛伊木马”投入战场需要近一个世纪。

 

顾名思义,抗体偶联药物(ADC)的名字,已经解释了它的三个重要组成部分——抗体、毒素、连接子。很长一段时间内,这些不同支线都在或慢或快地推进,失败、止步不前、一筹莫展是常有之事。不过,科学家习惯失败,更懂如何从失败中修正与重建。

 

ADC的组成部分

 

纵使ADC的“碎片”在时间上相距遥远,待到时机成熟,在制药产业的整合下,它们最终汇聚为一体。无论是首个上市的Mylotarg,还是开启靶向化疗时代的Kadcyla,抑或是实现对Kadcyla全面超越的新标杆Enhertu,在它们身上,都凝结了百年的积累。

 

一定程度上,正是这些以Enhertu为代表的闪亮之星,持续推高业界对ADC的期待。今年以来,涉及ADC的并购、合作比比皆是。最近一次大事件,来自默沙东总计高达220亿美元的加码,从第一三共引进3款在研ADC。

 

根据GlobalData的估算,到2029年,ADC在全球肿瘤治疗中的市场价值预计将超过360亿美元,而第一三共将稳坐第一把交椅——没错,又是这家日本药企。

 

凭借Enhertu,第一三共成功将自己塑造为“ADC开拓者”,吸引默沙东、阿斯利康等跨国巨头青睐。深受专利悬崖困扰的MNC,迫切地挤上快车,开启下一阶段狂飙突进。但想推出下一款“Enhertu”,光是砸钱联姻还远远不够。

 

Enhertu的诞生,称得上是漫长的横跨多个领域的共同努力。在一篇博客中,作者Alex Telford梳理了Enhertu一个世纪以来的创新链发展。

 

谁能料想到,40多年前,日本酸奶饮料公司养乐多的一项发现,会为若干年后Enhertu的诞生做出巨大贡献?这也是当我们讲Enhertu的创新,或者尝试捕捉谁会成为下一个时代的“弄潮儿”时,却又不能只讲ADC的原因所在。

 

 
促成Enhertu诞生的创新链(相关事件标注说明:圆圈代表学术界。三角形代表政府。正方形代表私营部门;最左侧浅绿色部分,代表与化学有效载荷相关的事件。左起第二位蓝绿色部分,代表与ADC和连接子相关的事件。左起第三位蓝色部分,代表与抗体相关的事件。最右侧紫色部分,代表与靶点相关的事件。)

 

 

 
1
1890-1949:从零开始的抗体
 

故事的最开始要从抗体讲起。

 

1890年,贝林(Behring)和北里柴三郎,共同发表了一篇关于动物白喉免疫和破伤风免疫的论文。他们发现,消毒过的白喉或破伤风杆菌能使动物产生“抗毒素”,而当这种经免疫的动物血清转移到其他染病动物上时,可以提供被动保护。

 

这就是应用至今的血清疗法的由来,所谓的“抗毒素”即是今天我们熟知的抗体。1900年,被誉为“现代免疫学之父”的埃尔利希提出了“侧链学说”,抗体分子模型首次被提出。

 

贝林和北里柴三郎所发论文

 

 

1911年,劳斯(Rous)报告了一些奇怪的现象:他将雌鸡的肉瘤标本磨碎过滤,并注射到同一品种母鸡身上,发现后者都产生了肿瘤。随后,劳斯又将肿瘤标本粉碎,向鸡注射无细胞滤液,也观察到肉瘤的产生。

 

劳斯认为,癌症可以通过比细胞还小的单位传播——现在我们知道,他当时发现的是一种逆转录病毒,为纪念此事,将其命名为“劳氏肉瘤病毒”。

 

在劳斯的试验两年后,埃尔利希提出魔法子弹的概念。正如孟德尔的豌豆故事一般,埃尔利希向肿瘤发动特洛伊战争的想法落地,也跨越了近90年。很长一段时间内,这都是作为支线剧情推进。

 

1929年,海德堡(Heidelberger)在一项定量试验中发现,抗原能被抗体沉淀,他判断抗体是一种蛋白质。接下来,马拉克(Marrack)对这一发现做了更详尽的研究,并提出抗原-抗体结合学说,从理论上解释了血清反应现象。到1935年,菲利普(Phillips)等人从淋巴结中分离出抗体,这时,抗体的来源和作用机制已经搞明白很多了。

 

抗体的重大突破密集发生于20世纪40年代。

 

彼时,正值第二次世界大战,无数士兵在战场上因失血过多而死。科恩(Cohn)临危受命,推动开发一种血液分离工艺,分离而出的血清白蛋白挽救无数生命。

 

 

科恩

 

科恩的哈佛大学合作者奥克利(Oakley)受到启发,在科恩的研究基础上,奥克利改进了提取和提纯抗体的工艺。

 

也在那时,学术界首次报道了免疫组化(IHC),即利用抗体特异性结合,使特定的结构或蛋白质可视化,以帮助诊断。这项论文发表于1941年。

 

在4年后,从30年代开始的对抗体“原产地”的争议也终有了确定的结论。通过分离血浆,哈里斯(Harris)发现抗体浓度在淋巴细胞中最高,他认为,抗体是由淋巴细胞产生的

 

1946年,贝林与北里柴三郎的血清疗法也迎来新实践。斯威特(Sweet)、豪厄尔(Howell)等人在一项临床试验中,为早产儿注射人源免疫血清球蛋白,以观察抗体的输注能否保护婴儿免受感染和死亡。但他们并未发现免疫血清球蛋白对总死亡率有影响。

 

 

 
2
1950-1980:深入理解癌症

 

20世纪50年代,化学突飞猛进,首次实现细胞毒性剂与抗体的连接。

 

1985年,科学家将甲氨嘌呤与抗白血病抗体结合后,在地鼠白血病模型中测试其疗效。同年喜树的树皮和茎提取物被发现有抗肿瘤活性从这里,我们似乎能看到Enhertu的故事,初显苗头。

 

此间,生物化学迅猛发展,到了60年代,已经发展成熟到有化学健合、偶联等多种方法联系生物分子。这些方法,最终串起了包含不同DAR值和不同payload的ADC设计。

 

在1966年,高斯(Ghose)等人将放射性同位素与抗肿瘤抗体相连,并在小鼠模型中进行测试。这是首个关于放射性免疫偶联药物的报告为早期开发ADC提供了原理证明。

 

另一方,沃尔(Wall)在加入非营利组织后,重新审视喜树碱,并成功将其分离而出。前人经验证实,喜树碱提取物具有抗癌效果,沃尔随后合成喜树碱的钠盐,以提高溶解度,使其顺利进入临床试验。

 

上世纪60年代末,埃德尔曼(Edelman)开发了一种蛋白质测序的方法,并借此成功测定出首个lgG抗体的全序列。

 

而70年代,注定也是值得载入史册。仅在1970年一年,就能看到可观数量的科学新发现:在这一年,喜树碱钠完成了在黑色素瘤和胃肠道癌症中的检测试验,但由于疗效一般且严重副作用,它的开发陷入停滞;另外,科学家们成功分离了单克隆抗体,还发现了癌基因的存在。

 

劳斯与“病鸡”的故事还没完。马丁(Martin)观察到劳氏肉瘤病毒在鸡内可以正常复制,不会导致癌症。在试验中,他成功将非转化株与转化株分离,此举证明了病毒中的致癌因子是遗传性的,也就是所谓的致癌基因”。

 

1970年,特明(Temin)与其合作者发现逆转录酶,确认了遗传信息能从RNA回到DNA。

 

站在巨人的肩膀上,毕晓普(Bishop)和瓦尔姆斯(Varmus)在1976年将这件“鸡、肿瘤、病毒”的故事推上高潮——他们发现,劳氏肉瘤病毒癌基因广泛存在于鸡之外多种生物的染色体上,表明“致癌基因”并不是纯粹的病毒现象,“原癌基因”的失调有可能导致癌症,而无论病毒是否参与。

 

毕晓普和瓦尔姆斯因为相关发现获得诺贝尔奖

 

在此后几年间,科学家又相继在大肠杆菌、哺乳动物中发现了DNA拓扑异构酶。这是一种解缠机器,释放DNA因为盘绕过度导致的张力,便于复制。

 

1972年,在一篇名为《抗体作为苯丁酸氮芥载体》的论文中,首次报道了化学连接的ADC。此后,到1975年,杂交瘤技术发展起来,使得生产单克隆抗体的生产具有更高的同质性和靶向准确性,并且可以大规模生产,堪称是该领域的重大飞跃。

 

进入70年代的末期,科学家发现了表皮生长因子受体(EGFR),也收集到癌症中组织蛋白酶过度表达的证据。

 

 

 
3
1980-1990:探索化疗药物

 

20世纪80年代,是一段特殊的时期。当列侬在1980年的冬天身中4枪死去,嬉皮士迎来了衰败的终局;然而喇叭裤、爆炸头,这些迪斯科的风潮带的烂漫气息,还在继续向世界传播——自由、开放、野蛮生长,这是独属80年的性格印象。

 

制药业也是如此。很多人都知道“养乐多”乳酸菌,却不知道这家公司也从事制药——喜树碱衍生物伊立替康,就是由养乐多科学家首次在日本发现并合成。

 

在70年代发现DNA拓扑异构酶后,科学家们开展了广泛的研究,但因为临床应用中体现出的毒性和低稳定性,研究举步维艰。直到1985年,科学家确定喜树碱是通过抑制DNA拓扑异构酶I的机理来抗癌,喜树碱才重新挥别先前的阴影,再度唤起人们兴趣。彼时,研究人员相信,喜树碱衍生物,将会成为化疗药物的重要补充。

 

作为首个拓扑异构酶I抑制剂,伊立替康于1994年顺利在日获批宫颈癌、肺癌和卵巢癌等适应症,而后又陆续在欧美获批上市。二十多年以来,伊立替康为全球实体瘤治疗做出巨大贡献。

 

开普拓(盐酸伊立替康注射液)
 

开发与商业化伊立替康的过程,都是由养乐多和第一制药合作而成。而后者,正是第一三共的前身之一:2005年,日本三共制药与第一制药合并,当下叫做第一三共的药企由此登上历史舞台。

 

1987年,第一制药在一份研究报告中指出,伊立替康是一系列喜树碱衍生物中毒性最小、最有效的衍生物。而在8年后,第一制药合成的依喜替康,取代了伊立替康最佳喜树碱衍生物的称呼——与伊立替康不同,依喜替康不需要代谢活化。

 

不过,依喜替康的欢喜只是暂时。2003年,在一个联合依喜替康与吉西他滨,对比吉西他滨单药治疗未经治疗的晚期胰腺癌的III期研究中,联用组合并没有表现出更优的OS数据。此后,第一制药停止继续开发依喜替康。

 

让我们再折回到80年代,ADC主线也有了一些进展。

 

1983年,ADC开展了首个人体临床试验。研究人员在8位晚期转移癌患者中,研究了长春地辛-抗CEA偶联药物的安全性及放射性标记后的定位能力。其中,有5例患者能检测到偶联物的定位,且未引起明显毒性/过敏反应。不过,研究人员也倒没发现有明确的疗效。

 

另一方面,HER2靶点同样被深度挖掘。当1970年癌基因被发现后,研究人员启动筛选程序,一直在寻找其他致癌基因。随后,HER2基因被发现与大鼠肿瘤有关,并确定为是潜在的癌基因。

 

1984年,科学家成功分离了大鼠HER2基因。此后一年,业界又确定HER2基因与EGFR同源。而在1986年,HER2基因的致癌性也终于被书面确定,抗HER2的单抗可以阻断这一转变过程。1987年,科学家又发现HER2与不良乳腺癌有关,由此该靶点的适应症得以确认。

 

特别的是,现在用于基础研究和临床诊断的免疫组织化学IHC,第一次检测应用就是为了HER2阳性乳腺癌。1987年初始应用时仅用于告知预后,后来IHC被用于确定曲妥珠单抗和其他抗HER2药物治疗是否合适。

 

 

 
4
1990-至今:ADC破晓之后

 

说到单抗,1986年首款治疗性单抗muromab-CD3获批,用于治疗预防移植排斥,但推广速度很慢。1989年,基因泰克的科学家分离出一种名为“4D5”的抗体,它对HER2蛋白具有高特异性,且在体外能抗肿瘤细胞增殖。

 

1990年代,才是抗体厚积薄发的主场。基于上述的“4D5”抗体,基因泰克的科学家利用CDR嫁接技术,构建出大名鼎鼎的曲妥珠单抗。经过一系列临床试验,1998年,曲妥珠单抗以商品名赫赛汀出现在医院药室里,用于与紫杉醇联合治疗HER2阳性乳腺癌。

 

而对于ADC,它也将要迎来命运的转折点,上市。

 

90年代初,惠氏与Celltech展开合作,成果之一就是发现了吉妥珠单抗奥唑米星,依靠可切割连接子,将抗CD33的单抗和卡奇毒素连接起来。很快,吉妥珠单抗奥唑米星拥有一个更为响当当的名字——Mylotarg

 

Mylotarg是史上第一款获批的ADC药物,于2000年在美国获批用于治疗CD33阳性的急性髓系白血病。可惜,它虽开辟了先锋,却也倒在了技术不成熟上。由于连接子不稳定,导致卡奇霉素被过早释放,引起严重毒副作用,最终该药于2010年悻悻退市。

 

在埃尔利希灵光一闪的一个世纪后,2011年,CD30靶向的ADC维布妥昔单抗,被批准用于治疗复发难治经典霍奇金淋巴瘤和系统性间变性大细胞淋巴瘤;随后2013年,FDA又批准了HER2靶向的ADC Kadcyla,用于治疗曲妥珠单抗耐药的转移性乳腺癌,正式开启靶向化疗时代。

 

ADC两个里程碑药物
 

Enhertu的出现,革新了Kadcyla,将ADC带入一个新的的时代。

 

第一制药虽停止了依喜替康的开发,但这份遗留的经验却保留在了第一三共身上,后者由此开发出依喜替康衍生物,作为Enhertu的毒素。除了突破ADC传统使用毒素,Enhertu还拥有高于平均的DAR值。在临床疗效方面,依靠旁观者效应,Enhertu攻克了低表达乳腺癌适应症。

 

ADC获批的步伐不断加快,2019年获批了2款,2020年又有另外3款ADC上市。与此同时,药企间关于ADC的交易也水涨船高。今年上半年,辉瑞以430亿美元收购ADC明星公司Seagen,足以见这一赛道的火热。

 

巨头的抢滩竞赛中,谁才能推出下一款革命性的“Enhertu”?而ADC的成功,又会成为什么新药的“垫脚石”?在螺旋上升的发展历程中,未来充满无限期待。

 
参考文献:
An Enhertu innovation map,及其文中所引链接;
 

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