近日，美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)院、美國(guó)國(guó)家科學(xué)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(duì)制藥行業(yè)當(dāng)前的熱點(diǎn)“多特異性藥物（multispecific drug）”進(jìn)行了介紹。該綜述簡(jiǎn)述了現(xiàn)代制藥工業(yè)的四次革命性浪潮，重點(diǎn)對(duì)帶來第四次革命浪潮的多特異性藥物進(jìn)行了全面詳實(shí)的闡述，并強(qiáng)調(diào)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(jì)初，以神藥阿司匹林的市場(chǎng)營(yíng)銷為標(biāo)志，這是現(xiàn)代藥物發(fā)展史上的一個(gè)標(biāo)志性事件。該階段藥物研發(fā)強(qiáng)調(diào)在培養(yǎng)液或生物提取物中尋找對(duì)細(xì)胞或有機(jī)體有預(yù)期治療效果的活性物質(zhì)，并對(duì)活性物質(zhì)的化學(xué)成分進(jìn)行鑒定并制成藥物。此次浪潮啟動(dòng)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(diǎn)往往是未知的，因此很難優(yōu)化藥物以增強(qiáng)其療效或耐受性，或預(yù)測(cè)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(xiàn)[1]）

       第二次革命性浪潮 從 20 世紀(jì)70年代開始，以理性藥物發(fā)現(xiàn)方法學(xué)取代經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)藥理學(xué)為標(biāo)志。這種藥物研發(fā)方式的核心是一個(gè)靶點(diǎn)一個(gè)藥（one target one drug，1T1D），即先明確一個(gè)靶點(diǎn)，然后針對(duì)該靶點(diǎn)進(jìn)行藥物篩選和設(shè)計(jì)。1T1D方法的使用，加上高通量篩選和基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)，已經(jīng)很好地應(yīng)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(zhuǎn)換酶抑制劑——卡托普利便是一個(gè)典型案例。

       第三次革命性浪潮 從20世紀(jì)80年代開始，以基于重組蛋白的治療藥物為標(biāo)志。重組DNA方法的發(fā)明開啟了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)，1982年，第一個(gè)重組人胰島素（humulin）獲得批準(zhǔn)；1985年，第一個(gè)單克隆抗體 muromonab 被用作治療試劑。雖然重組蛋白藥物在結(jié)構(gòu)上比小分子復(fù)雜，但這兩種藥物的作用機(jī)制相似，都與預(yù)定的分子靶點(diǎn)結(jié)合并調(diào)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(shè)計(jì)開發(fā)的多特異性藥物 被 批準(zhǔn)（表1），但這波浪潮正在迅速形成。在安進(jìn)（Amgen）公司，通過I期臨床試驗(yàn)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(shè)計(jì)的多特異性藥物的成功開發(fā)，讓科學(xué)家們重新思考如何設(shè)計(jì)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(diǎn)上發(fā)揮作用的藥物，另一類是治療藥物與生物效應(yīng)器相偶聯(lián)的藥物。

表1  四種已批準(zhǔn)的前瞻性設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)有什么區(qū)別？如圖2的左圖所示，理性藥物設(shè)計(jì)遵循一個(gè)靶點(diǎn)一個(gè)藥1T1D原則，藥物與靶點(diǎn)直接結(jié)合，形成明確的單一藥物靶點(diǎn)結(jié)合界面，這種結(jié)合通過促進(jìn)或抑制靶點(diǎn)功能而發(fā)揮作用。另外，經(jīng)典藥物的另外一個(gè)特點(diǎn)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(gè)或兩個(gè)以上的實(shí)體起作用，使藥物活性限制在一個(gè)特定的位置，或?qū)袠?biāo)錨定到內(nèi)源性效應(yīng)器旁邊，讓該效應(yīng)器對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)。專性多特異性藥物的特點(diǎn)主要是形成2個(gè)或多個(gè)藥物靶點(diǎn)結(jié)合界面，如圖2的右圖所示，MZ1與靶標(biāo)BRD4和內(nèi)源性效應(yīng)器泛素連接酶亞 基 VHL 同 時(shí)結(jié)合，將BRD4錨到VHL附近，使VHL對(duì)BRD4進(jìn)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(xiàn)[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(diǎn)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(diǎn)與生物效應(yīng)器聯(lián)系起來的藥物，即Matchmakers（COMMS）。

       SOMs （sequentially binding obligatemultispecific drugs），即順序結(jié)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?？贵w偶聯(lián)藥物將抗體與細(xì)胞**化合物相偶聯(lián)。抗體部分與表達(dá)于腫瘤細(xì)胞表面的蛋白結(jié)合，抗體藥物與抗原的結(jié)合使細(xì)胞**化合物在腫瘤細(xì)胞處富集。抗體偶聯(lián)藥物隨后進(jìn)入腫瘤細(xì)胞中發(fā)揮細(xì)胞**作用，從而殺死腫瘤細(xì)胞。該藥物的錨定過程和殺死細(xì)胞過程具有先后順序，因此得名。第一個(gè)前瞻性設(shè)計(jì)和批準(zhǔn)的SOMs是抗體偶聯(lián)藥物 gemtuzumab ozogamicin（商標(biāo)名Mylotarg，吉妥珠單抗），用于治療急性髓系白血病。該藥物的靶點(diǎn)是核DNA，核DNA被ozogamicin 裂解。而gemtuzumab則與白血病母細(xì)胞上表達(dá)的CD33結(jié)合。

       COMLs (concurrently binding obligatemultispecific drugs that mediate localization) ，即介導(dǎo)定位的同時(shí)結(jié)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(diǎn)和藥物作用靶點(diǎn)定位于同一個(gè)部位，并且錨定過程和對(duì)靶點(diǎn)的調(diào)節(jié)過程同時(shí)發(fā)生，因此得名。COMLs的一個(gè)例子是抗體細(xì)胞因子融合藥物。細(xì)胞因子IL-2可以增強(qiáng)腫瘤的免疫攻擊，但是當(dāng)它們被系統(tǒng)傳遞時(shí)可能會(huì)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(duì)其受體的親和力，并將其與一種能與腫瘤限制性細(xì)胞表面抗原結(jié)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(xì)胞因子融合藥物正在開發(fā)中，但目前還沒有藥物進(jìn)入市場(chǎng)。

圖3  在特定作用位點(diǎn)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(xiàn)[1]）

       COMMs （concurrently binding obligatemultispecific drugs that function as matchmakers ），即發(fā)揮媒介作用的同時(shí)結(jié)合專性多特異性藥物。COMMs發(fā)揮分子媒介作用，將靶標(biāo)與效應(yīng)體相連接，形成一個(gè)與效應(yīng)體結(jié)合的界面和另一個(gè)與靶標(biāo)結(jié)合的界面，從而拉近效應(yīng)器與靶標(biāo)的距離，使效應(yīng)體作用于靶標(biāo)。COMMS又可以細(xì)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(dòng)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(xiàn)[1]）
 

圖5  基于生物大分子的COMMs （來源于參考文獻(xiàn)[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(gè)或兩個(gè)以上的實(shí)體相互作用，因此它們本質(zhì)上比單一特異性藥物更復(fù)雜。這會(huì)影響它們的合成、優(yōu)化、藥代動(dòng)力學(xué)、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(fù)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(dòng)力學(xué)和安全性評(píng)估可能會(huì)帶來獨(dú)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(shì)。嵌合蛋白常常在動(dòng)物體內(nèi)誘發(fā)抗藥物抗體，從而危及長(zhǎng)期的毒理學(xué)研究，而雙特異性抗體可能表現(xiàn)出較差的藥代動(dòng)力學(xué)行為，并通過非標(biāo)準(zhǔn)途徑清除。體內(nèi)藥效和毒理學(xué)研究也可能因缺乏合適的動(dòng)物模型而受挫。由于激活免疫攻擊的藥物可能導(dǎo)致嚴(yán)重的不良事件，因此BCEs的首次人體劑量由最低預(yù)期的生物效應(yīng)水平?jīng)Q定，而不是最高的非嚴(yán)重**劑量，這可能會(huì)延長(zhǎng)第一階段臨床試驗(yàn)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(huì)發(fā)生變化，并會(huì)影響細(xì)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(zhì)量穩(wěn)定、雜質(zhì)可忽略的均勻多特異性分子仍是一個(gè)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(huì)有大量越來越復(fù)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(qiáng)大的細(xì)胞效應(yīng)因子來調(diào)節(jié)包括蛋白質(zhì)、核酸甚至細(xì)胞器在內(nèi)的多種靶點(diǎn)，從而打開迄今為止不可用藥的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)組。我們面臨的機(jī)會(huì)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(fēng)險(xiǎn)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(fù)雜性增加，這些問題可能會(huì)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(gè)世紀(jì)里有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,并且與生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科有了更緊密的聯(lián)系，我們可以期待會(huì)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(xiàn)

       [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