癌症精準治療的新利器:生物標靶ADC現況與未來展望(上)

化療、放療與手術是眾所周知的癌症治療方式,而細胞毒殺性藥物通常是用作癌症的傳統化療方式之一。雖然此類方式對某些類型的癌症有效,但細胞毒殺性藥物的「非專一性」意味著快速分裂的健康細胞和癌細胞都會受到嚴重攻擊,使正常細胞也深受其害,直接導致全身性的副作用如噁心嘔吐、脫髮、骨髓抑制、肝腎損傷、關節疼痛等。標靶治療領域旨在通過利用正常細胞與癌細胞之間的細微差異,尋找更安全、更有效的治療方式,而抗體—藥物複合物(antibody drug conjugate, ADC)的研發是其中一項精準醫療代表性的成功方式。

ADC最初的發想
ADC是由德國諾貝爾生理醫學獎得主保羅∙埃爾利希(Paul Ehrlich)所提出的抗感染病原魔法子彈(Magic Bullets),此理念核心在於能否找到一種分子,可以在不傷害人體的情況下選擇性地標靶毒殺病原微生物或惡性細胞,從而消除疾病。在Ehrlich的基本理念提出之後的八十多年裡,加上1940年代化學療法與1970年代單株抗體(monoclonal antibody)的成功開發和支持,終於在1983年研發出一種抗癌胚抗原抗體—長春地辛複合物(anti-carcinoembryonic antigen antibody-vindesine conjugate),實現了ADC療法首次的人體試驗。如圖1所示,這些重要的歷史沿革努力推進ADC的開發領域,使之成為新一代對抗癌症的強力武器[1]

圖1:抗體—藥物複合物(ADC)療法的歷史沿革。記述從1958至2020年ADC開發的關鍵事件時間軸。資料來源:Molecules. 2021 May 15;26(10):2943.

ADC的關鍵設計與作用機制
ADC是具有專一性標靶能力的生物製藥,主要由三個關鍵部分組成:單株抗體(monoclonal antibody, mAb)、細胞毒殺小分子藥物(cyto-toxin,又常稱有效載荷(payload))與將二者連接在一起的化學接頭(linker)。通過針對特定腫瘤細胞表面抗原的高度專一性抗體與強效的細胞毒殺性藥物結合,可以選擇性地殺死癌細胞,並大幅降低副作用提高安全性(如圖2A.所示)。大多數ADC的給藥方式為靜脈注射,在體內經歷相似的作用機制釋放細胞毒殺性藥物。簡而言之,ADC藉由循環系統到達標的腫瘤部位,通過受體介導的內吞作用 (endocytosis)而內化(internalization)進入腫瘤細胞內,形成包含ADC—抗原複合物的早期胞內體(early endosome)。早期胞內體在與溶酶體(lysosome)融合之前,會先發展成次級胞內體(late endosome)。對於具有可裂解接頭(cleavable linkers)的ADC,裂解作用可能會先發生在早期胞內體或次級胞內體中,例如:水解、蛋白酶切割、雙硫鍵切割等,進而釋放有效細胞毒殺性藥物。然而,對於具有不可裂解接頭(non-cleavable linkers)的ADC,則需與溶酶體融合;溶酶體中的質子泵創造了一個酸性環境,促進蛋白酶,例如:組織蛋白酶B(cathepsin B)、纖溶酶(plasmin)等介導蛋白質完全降解,進而釋放細胞毒殺性藥物。最終,透過破壞重要的細胞生合成路徑,如微管聚合、DNA轉錄等以消滅癌細胞(如圖2 B.所示)。

圖2:A)抗體—藥物複合物(ADC)的結構。資料來源:Crown bioscience https://blog.crownbio.com/antibody-drug-conjugates-for-cancer-treatment B)抗體—藥物複合物(ADC)與細胞的一般作用機制。資料來源: Molecules. 2021 Sep27; 26(19): 5847.

ADC的設計是一個複雜的過程,涉及仔細的規劃、細緻的執行和密集的障礙排除;有效且最合適的組件將大大增加ADC成功的機會。根據文獻[2]的報導,設計的關鍵因素除了上述ADC的三大組成元素外,還包括標靶抗原(Target antigens)、接合平台(Conjugation platform)的選擇與合適的目標適應症(Target indications)等;其中,接頭與綴合位點的化學性質對ADC的穩定性、藥物代謝動力學(pharmacokinetics, PK)、藥效學(pharmacodynamics, PD)特性與治療窗口起著至關重要的作用。每個抗體上的接頭連結有效載荷的化學計量稱為藥物抗體比(Drug-Antibody Ratio, DAR),雖然增加DAR可以增強ADC毒殺效力,但也會增加ADC的聚集、脫靶效應、血漿清除率以及縮短循環半衰期等,進而導致療效與安全性降低(如圖3A.所示)。除了DAR的一致性,接頭—有效載荷與抗體的附著位點(attachment sites)也是一個重要的考慮因素(如圖3B.所示)。至關重要的是,附著點應位於抗原結合區的遠端,從而使抗體結合和內化不受影響;此外,附著位點也會對接頭穩定性產生顯著影響,這決定了藥物在循環與腫瘤部位的釋放速度。因此,ADC具有均質的DAR與附著位點可望產生卓越的治療效果(如圖3C.所示)。ADC的同質性仍然是活躍的研究領域,為了克服製造過程中的異質性,具有特異性位點結合的創新方法也持續開發中,例如:促進氨基酸修飾或通過醣轉移酶的酶促結合,用於減少變異性並提高結合穩定性和藥物代謝動力學等特性,製造出更均質的ADC產品。ADC中不同組件之間的相關性相互交織,使ADC設計成為一個具有挑戰性但有趣的過程。ADC的複雜性需要最先進的分析技術充分表徵,並控制產品質量和製造的一致性。

圖3:(A)增加DAR、(B)不同附著位點和(C)ADC上的最佳DAR和綴合位點的治療效果。資料來源:Chem Soc Rev. 2021 Jan 21;50(2):1305-1353.

ADC的臨床研發
許多ADC已表現出令人印象深刻的抗復發及難治療(relapsed/refractory, R/R)癌症活性,使之成為惡性腫瘤中一類強大的治療藥物。迄今為止,美國食品藥物管理局(U.S. FDA)共核准12款ADC上市;其中7款用於血液系統惡性腫瘤,5款用於實體瘤;當中有8款也已獲得了歐洲藥品管理局(European Medicines Agency, EMA)的核准。有些出版刊物不將Lumoxiti™列為FDA核准的ADC,是因為認為它是一種免疫毒素(immunotoxin)。表1總結了這些ADC的標靶抗原、目標適應症及核准年份。

表1:列出獲核准臨床使用的抗體—藥物複合物(ADCs),用於治療臨床環境中的腫瘤適應症。資料來源:Biochempeg. FDA Approved Antibody-Drug Conjugates Up To 2021.

儘管ADC正在進入前所未有的成功時期,但臨床開發過程中的損耗仍然很高。ADC固有的複雜性是一把雙面刃,它為完善治療行動提供了機會,同時也增加了治療失敗的混雜因素。就生產獲核准的ADC而言,其發展軌跡並不平坦。在2000年FDA首次核准Mylotarg™後,該藥物在十年後從市場撤下,這十年內核准的ADC就從1種變為0種。一系列引人注目的失敗打擊了許多公司的積極性。直到近三年內,共7款ADC獲得核准,才使ADC的研究熱情再次回歸。在此,通過文獻[3]關注FDA核准ADC的臨床開發路徑和市場表現,將有助於從他們成功的經驗中學習。

早期的ADC多數獲核准用於治療血液系統惡性腫瘤,俗稱血癌,包括第一個進入腫瘤市場的Mylotarg™及第二個進入腫瘤學市場的Adcetris™。Mylotarg™由Pfizer開發,是重組人源化抗CD33單株抗體(IgG4κ antibody hP67.6)通過對pH值敏感的可裂解接頭 (hydrazone linker),共價連接到卡奇黴素(calicheamicin) 衍生的有效載荷,用於治療復發性及難治癒的CD33+急性骨髓性白血病(acute myeloid leukemia, AML)。但在核准後研究卻因毒性和缺乏在臨床III期試驗中具有顯著療效,於2010年撤出市場。儘管如此,Mylotarg™在2017年被FDA重新核准採用較低的分次劑量給藥。這些改變降低了最大血漿濃度,從而提高了給藥時的安全性和反應率。

從第一代開發的ADC中瞭解到,大約僅0.1% ADC的注射劑量可到達目標腫瘤部位,因此需要增加有效載荷毒殺細胞的效力或DAR以提高治療活性。所以由Seagen/Takeda開發的Adcetris™使用更具細胞毒殺力的有效載荷。它是包括CD30特異性單株抗體與細胞毒殺性小分子藥物(monomethyl auristatin E, MMAE)偶聯的複合物,核准用於治療霍奇金氏淋巴瘤(hodgkin lymphoma, HL)和間變性大細胞淋巴瘤(anaplastic large cell lymphoma, ALCL)。它的抗癌活性源於MMAE與微管蛋白結合,破壞細胞內的微管網絡,導致細胞週期停滯和細胞凋亡。此外,與DAR為2-3的Mylotarg™相比,Adcetris™約有4個MMAE分子連接到每個抗體分子上。迄今為止,除了上述二項ADC獲核准用於血癌,還有來自Pfizer的Besponsa™、AstraZeneca/Innate Pharma的Lumoxiti™、Genentech/Roche的Polivy™、GlaxoSmithKline的Blenrep™和ADC Therapeutics開發的Zynlonta™,都在治療血液系統惡性腫瘤中嶄露頭角。

在此,優先關注ADC於實體腫瘤的開發。在2013年,來自Genentech/Roche的Kadcyla™成為第一個核准用於治療實體瘤的ADC,從而澈底改變了ADC的應用領域。以前使用ADC療法有效治療實體腫瘤是一項艱鉅的挑戰,主要受二個重要原因影響。首先,由於實體腫瘤微環境中有許多生物障礙,例如:血管分化不良、難通過緻密基質的擴散和難克服腫瘤間質液壓力等,限制了ADC的滲透性。其次,與血液系統惡性腫瘤不同,譜系特異性抗原表達的概念並不適用於實體腫瘤,實體腫瘤表達的抗原主要是「腫瘤相關」而非「腫瘤特異性」,所以意味著有一定比例會標靶到非腫瘤細胞的毒性;因此,早期ADC用於治療實體腫瘤的效果不佳。所以這項核准為ADC開啟了另一個重要的里程碑。

Kadcyla™通過非裂解的硫醚接頭(non-cleavable thioether linker)將人源化抗HER2的IgG1單株抗體(Trastuzumab)與高毒性的微管蛋白抑制劑DM1(maytansine-derived cytotoxic agent)偶聯,用於輔助治療HER2陽性的早期和轉移性乳腺癌。不可裂解的接頭往往比可裂解的接頭更穩定,但它們完全依賴於溶酶體降解釋放有效載荷。這可能會導致帶電氨基酸保留在有效載荷上,進而影響其作用或細胞滲透性。毫無疑問,Kadcyla™的獲准對瑞士製藥商Roche來說是一個巨大的勝利。於2019年,其年銷售額突破10億美元,成為一鳴驚人的ADC。

而Padcev™則是第一個進入尿路上皮癌(urothelial cancer)市場的ADC,它與Polivy™都具有與Adcetris™相同的接頭—細胞毒殺藥物建構體 (mc-vc-PABC-MMAE)。Padcev™是一種導向細胞黏附分子(Nectin-4)的ADC。細胞黏附分子(Nectin-4)是在膀胱癌細胞的細胞膜上大量表達的腫瘤相關抗原。Padcev™主要是由中國倉鼠卵巢細胞產生的完全人源化的抗Nectin4單株抗體(IgG1κAGS-22C3)組成,用於治療先前曾接受過鉑類藥物化療法或免疫療法(PD-1)和(PD-L1)抑製劑的局部晚期或轉移性尿路上皮癌患者,其DAR約為每個抗體上附著3.8個MMAE分子。

再來,由Daichi Sankyo/AstraZeneca開發的Enhertu™是第二種標靶HER2的ADC,用於治療已接受過2種或2種以上抗HER2藥物治療的HER2陽性轉移性或不可切除性乳癌成人患者。Enhertu™和Kadcyla™的不同之處在於它們的細胞毒性有效載荷不同。Enhertu™是新一代的ADC,通過一種蛋白酶可裂解的四肽鏈接頭將標靶HER2的人源化單株抗體(trastuzumab)與一種新型拓撲異構酶I(Type I topoisomerase, TOP1)抑製劑DXd鏈接在一起。DXd為Daichi Sankyo設計的新型exatecan衍生物,屬於喜樹鹼類藥物(camptothecin)有效載荷。TOP1在高等真核生物中是必不可少的,因為它負責解旋DNA的超螺旋結構。因此,抑制這種酶會導致DNA損傷和細胞凋亡,進而破壞HER2陽性腫瘤細胞。此ADC療法在近一兩年也有突破性進展,FDA另核准用於轉移HER2突變的非小細胞肺癌(NSCLC)患者及先前治療過的局部晚期或轉移性HER2陽性胃或胃食管交界腺癌患者的第二腫瘤適應症治療。

下一期我們將繼續瞭解ADC的現況與未來發展潛力。

參考文獻:

  1. Baah S, Laws M, Rahman KM.Antibody-Drug Conjugates-A Tutorial Review. Molecules. 2021 May 15;26(10):2943.
  2. Walsh SJ , Bargh JD , Dannheim FM , Hanby AR, et al. Site-selective modification strategies in antibody-drug conjugates. Chem Soc Rev. 2021 Jan 21;50(2):1305-1353.
  3. Tong JTW, Harris PWR, Brimble MA, Kavianinia I.An Insight into FDA Approved Antibody-Drug Conjugates for Cancer Therapy. Molecules. 2021Sep27;26(19):5847.
  4. Carolina do Pazo, Khurram Nawaz, Rachel M Webster.The oncology market for antibody-drug conjugates. Nat Rev Drug Discov. 2021 Aug;20(8):583-584.
  5. ADC Review, Journal of Antibody-drug Conjugates. What are Antibody-drug Conjugates? Online, Last accessed October, 2021.
  6. Beacon Targeted Therapies (Hanson Wade). Beacon ADC [data­base]. Online, Last accessed October, 2021.
  7. Creative-biolabs. One-stop ADC Development Service. Online, Last accessed September,2021.
  8. BroadPharm: Worldwide Leading PEG Supplier, ADC Approval up to 2021. Online, Published by BroadPharm on July 21, 2021
  9. Crown bioscience, Expanding the Horizon of Antibody-Drug Conjugates for Cancer Treatment by Ludovic Bourré, PhD, April 1, 2021

文/圖:生技與藥物研究所吳紫菁研究助理、岳嶽研究員

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