乘风破浪的K药：意外诞生的新时代抗癌药代表
“刺穿癌症黑云的一线光明”
免疫疗法与keytruda
随着现代医学的建立与发展，越来越多的在古代困扰人类的不治之症都变得能够轻易治愈。然而癌症由于其发病原因的复杂性、前中期症状的不明显以及高致命性与难以治愈等特点在现代医学发达的今天仍然是难以医治的顽疾，被确诊癌症约等于被宣判死刑这一观念被现代群众广泛接受。对癌症的恐惧几乎根植于绝大多数现代人类的心中，“谈癌色变”绝非危言耸听。因此，对于癌症的治疗成为了现代医学的一大关注焦点。
传统的三大治疗癌症的方法虽然偶有成效，但也由于成本与疗效等原因越来越无法满足现代癌症治疗的需求。所以，众多学者热衷于探索治疗癌症的低成本或高收效的新方法。而肿瘤的免疫疗法，便是近年来这其中前景最为广阔，最耀眼的明星成果。肿瘤的免疫治疗旨在激活人体免疫系统，依靠自身免疫机能杀灭癌细胞。与以往的手术、化疗、放疗和靶向治疗不同的是，免疫治疗针对的靶标不是肿瘤细胞和组织，而是人体自身的免疫系统。
近几年，肿瘤免疫治疗的好消息不断，目前已在多种肿瘤如黑色素瘤，非小细胞肺癌、肾癌和前列腺癌等实体瘤的治疗中展示出了强大的抗肿瘤活性，多个肿瘤免疫治疗药物已经获得美国FDA（Food and Drug Administration，FDA）批准临床应用。肿瘤免疫治疗由于其卓越的疗效和创新性，在2013年被《科学》杂志评为年度最重要的科学突破。此外，在“发现负性免疫调节治疗癌症的疗法”方面有重大贡献的美国科学家詹姆斯·艾利森和日本科学家本庶佑获得2018年诺贝尔生理学或医学奖。这些都证明了肿瘤免疫疗法在学术与应用上的重要性与成果。
Keytruda（商品名可瑞达，俗称K药）是由老牌制药公司——默沙东公司研发生产的抗肿瘤药物，学名叫帕博利珠单抗（Pembrolizumab），属于程序性细胞死亡蛋白1（Programmed Cell Death Protein 1,PD-1）抑制剂的一种，是目前最成功的的癌症免疫治疗药物[1]。在这里要补充说明一下，默沙东公司在北美地区被称作默克公司，但在世界的其他地区有另一个名字，即是默沙东公司，为了下文的风格统一，我们将称其为默沙东公司。
不过，我们今天的主角可瑞达虽然现在是当前肿瘤免疫治疗的热门药物，但其实早在2003年，它本身的研发项目就已经开始了。这一时间远远早于肿瘤免疫治疗药物被广泛认识与研究的时间。这是因为可瑞达的研发者能够未卜先知吗？还是他们有领先于学界十年的认识？事实上都不是，真正的情况是可瑞达最初并非是作为治疗肿瘤的药物被研发的。
“柳暗花明又一村”
充满了偶然与曲折的研发史
2003年的荷兰Oss公司（阿克苏诺贝尔公司的健康产品部门）位于剑桥的Organon团队为了能够治疗例如类风湿关节炎等的免疫反应过激的自身免疫性疾病，而希望获得一种能够激活PD-1受体的激动剂来关闭T细胞的免疫反应。他们在安德烈·范·埃尔萨斯（Andrea van Elsas）领导下在实验室中筛选PD-1抗体，最终却并没有得到良好的PD-1激动剂，却获得了一种PD-1的抑制剂。由于当时肿瘤免疫疗法还存在很多争议和不确定性，Organon团队并没有意识到该抗体在抗癌领域的巨大潜力。
虽然并没有预料到这一药物的未来，但是Organon团队仍然准备进行新药申报（IND），然而由于其在2007年被先灵葆雅公司（Schering Plough）收购，IND申请也被搁置下来。当时肿瘤学对于PD-1免疫疗法的研究并无太多报道，因此先灵葆雅公司并不看好该项目，不过这一团队在进入新的公司后幸运地仍由埃尔萨斯博士负责，因此得以继续研究，这一项目取得了更多进展，第二次IND申请也提上了日程。然而2009年他们再次被收购，IND申请的计划第二次被收购打断，这一次的新东家是著名的默沙东公司。由于看不见这一药品的未来，默沙东公司管理层直接把该项目定为低优先级，并随后停止了该项目。
不过，随着学界对肿瘤的免疫疗法的认识不断深入，一些制药企业逐渐开始投入这一新领域的研究。2010年，另一家著名的美国药企百时美施贵宝公司在《新英格兰医学杂志》（NEJM）上发表了一项研究。研究中介绍了另一种T细胞抑制剂分子药物的研究，并且声称该药物已成功进入三期临床，暗示着免疫细胞疗法中“检查位点抑制剂”方案的可行性。后来默沙东公司又得知百时美施贵宝公司通过收购Medarex获得了另一种靶向PD-1分子的抑制剂药物。此时的默沙东公司意识到了被停止的Keytruda项目潜在的重大商业价值，于是在2010年底便提交了IND申请，并在之后组织了一期临床试验。值得一提的是，默沙东公司的重视使得这一次临床试验人数包含了655名黑色素瘤患者以及约650名肺癌患者，是肿瘤学上已有的最大规模一期临床试验[2]。
默沙东公司在研发与运营上的重大投入得到了回报。2014年9月，PD-1抑制剂Keytruda被美国FDA批准用于晚期恶性黑色素瘤患者，获得首次批准，正式成为肿瘤免疫治疗药物。在接下来的几年中，可瑞达的获批范围不断扩大，被认为适用的肿瘤类型不断增多，终于在2017年，可瑞达创造了同类药物的历史：2017年5月，FDA加速批准PD-1抗体Keytruda用于微卫星高度不稳定（MSI-H）或者错配基因修复缺陷（dMMR）类型的多种实体瘤。这也是FDA批准的首款不按照肿瘤的来源，而是按照生物标志物就可以使用的抗癌药[3]。
从获取PD-1激动剂的意外产物到世界闻名的肿瘤免疫治疗药物，可瑞达的研发经历可谓曲折而传奇。现代新药研发产业的机遇性与商业性从中也可见一斑。
“众里寻癌千百度”
keytruda的作用机制
要明白keytruda的作用机制，首先要了解PD-L1通路及其在免疫应答中作用。癌症中的免疫应答是指癌细胞特有的基因和细胞改变可被免疫系统识别为外来物质，使得T细胞能够杀伤癌细胞的过程。免疫系统识别、靶向和杀伤癌细胞的整个过程可称为癌症免疫周期。这一过程大致可以分为七步，具体如图1所示。
图1. 癌症免疫周期，来源：组内同学自制
图1中多次出现的PD-1，程序性死亡受体1(programmed death 1)，是一种重要的免疫抑制分子，为免疫球蛋白超家族，是一个268氨基酸残基的膜蛋白。以PD-1为靶点的免疫调节对抗肿瘤、抗感染、抗自身免疫性疾病及器官移植存活等均有重要的意义。
在没有癌细胞介入的正常状态下，PD-L1的靶点分别是PD-1和B7.1，造血、内皮、上皮细胞都可以表达PD-L1，而B7.1主要在树突状细胞上表达，在T细胞上表达较少。PD-1主要在活化T细胞上表达。正常组织上的PD-L1表达之后会跟T细胞上的PD-1结合，或者跟树突细胞的B7.1结合，结合之后细胞毒性T细胞活性被下调，从而避免正常细胞受自身免疫影响。从PD-L1/B7.1来看，循环中树突状细胞起到一个呈递抗原的作用，结合之后树突状细胞抗原呈递过程就会减弱，所以CTL活性减弱，它不会威胁到没有癌症时候自身的健康细胞。
PD-1还有一个靶点是PD-L2。PD-L2是PD-1的替代配体。PD-L2主要与PD-1结合。PD-L2在正常组织（如肺和结肠）的树突细胞和上皮细胞上表达受限。PD-1 主要在活化T细胞上表达。尽管PD-L2的确切作用尚不明确，但PD-L2与PD-1的相互作用可能会维持正常组织中的免疫稳态。
在癌症中这一通路则会起到不同的作用，PD-L1通路可通过在肿瘤微环境中抑制细胞毒性T细胞活性并阻止在淋巴结中启动和激活新的T细胞，从而下调抗癌免疫应答。其各个靶点在癌症免疫应答中的具体作用如下表所示：
图2. PD-L1通路各靶点在癌症免疫应答中的作用
图1所示的第三步中T细胞的激活至少需要两个信号。具体而言，初始T细胞激活至少需要两个信号或者说是两条通路，而这两个信号由树突状细胞传递。而PD-L1也在活化T细胞上表达，它会和原激活信号CD28竞争性抢夺B7.1这个靶点，而且B7.1和PD-L1的结合活性更高，这样一来共刺激通路中有一条通路就被截断，T细胞就不会被激活，淋巴结中T细胞的活性就被下调。
正常情况下活化T细胞进入肿瘤后，它会通过TCR/MHC通路直接攻击肿瘤细胞导致其凋亡。但是肿瘤细胞并不会坐以待毙，它会释放γ干扰素诱导自己或肿瘤浸润免疫细胞上的PD-L1高表达，与CTL细胞的PD-1结合，灭活CTL，从而逃脱制裁。
癌细胞主要通过上述两种方式利用PD-L1通路避免被免疫系统清除。而keytruda作为一种PD-1抑制剂，它主要作用于PD-L1:PD-1和PD-L2:PD-1通路，通过和细胞毒性T淋巴细胞（cytotoxic T lymphocyte， CTL）上的PD-1结合，防止肿瘤细胞上的PD-L1和PD-1结合，防止CTL失活，从而维系免疫应答过程的通畅，保证癌细胞被免疫系统识别并灭杀。
“尘归尘，土归土”
keytruda的药代动力学
现阶段的帕博利珠单抗清除率约为0.2L每天，半衰期约为25天，由于通过非特异性代谢途径从循环中清除，因此不会发生药酶相关的药物相互作用，而其具体的消除途径目前还未进行研究。在未面世之前，默沙东公司对其药代动力学进行的研究中以2195名接受每两周1 至 10 mg/kg 或每 3 周 2 至 10 mg/kg 剂量的晚期实体瘤患者为实验对象，采用静脉注射，确认了以下的三个结论：
其一，静脉给药后其会被完全生物利用，不会与血浆蛋白结合； 其二，稳态分布容积很小，与有限的血管外分布一致； 其三，它将通过一般蛋白质降解途径分解代谢为小肽和单一羊水酸，并且不依赖代谢进行清除。
值得注意的是，帕博利珠单抗在剂量低于 0.3 mg/kg 时表现出非线性清除率，在 0.3–10 mg/kg 剂量时表现出线性清除率。除了帕博利珠单抗外，免疫检查点抑制剂即ICI大多都会呈现出随着给药量变化的线性与非线性的清除率，这些被认为在非特异性降解的血浆和组织中发生，图3展示了这一过程的作用机制：
上图具体而言描述了静脉给药后，ICIs通过多种途径分布和代谢：
1、与血浆中或组织上的靶抗原广泛结合，减少游离 ICI 的量并增加分布容积；
2、未结合 ICI 的跨血管运动主要受对流控制，其大小受器官灌注和内皮通透性等因素的限制，在组织内，ICI 通过扩散和对流分布；
3、FcRn 负责将 ICI 转运回血管系统，防止这些药物在细胞内降解，从而延长其半衰期；
4、另一方面，针对 ICI 的抗体的产生增加了清除率；
5、ICI 清除的主要机制仍然是通过蛋白水解分解代谢，这发生在血浆和外周组织中；
6、ICIs 和表面受体之间的高亲和力相互作用沉淀了额外的清除途径，即受体介导的内吞作用。
除此之外，还有一些其他机制被发现与ICI的代谢等生命过程相关。
其一是由受体介导的内吞作用和降解提供的靶点介导的药物处置模型（Target Mediated Drug Disposition, TMDD），这是清除的一条替代路线，具体解释就是当 mAb 的数量超过游离靶标的数量时，TMDD 就会饱和，这解释了帕博利珠单抗在0.3 mg/kg 时的非线性清除，而其他 ICI 中没有非线性清除可能是有限剂量范围评估的结果没有跨越饱和点，或者是 TMDD 对这些化合物的影响很小。
其二是腺苷脱氨酶（Adenosine deaminase, ADA）的形成也促进了 ICI 的摄取和内吞降解，研究表明在联合疗法下，与单一疗法相比，ADAs 可能对 ICI 的药物代谢动力学产生更显著的影响，例如在同时接受伊匹单抗治疗的患者中，针对纳武单抗的 ADA 发生率显着增加（10-21.9%），这可能是联合治疗下纳武单抗清除率增加 24% 的原因，具体机制还没有进行深一步的研究。
其三是ICI 的 Fc 组分与免疫系统吞噬细胞上的 Fcγ 受体 (FcγR) 之间的直接相互作用可能会促进内吞降解的另一条途径，最近的临床前数据表明，Fc 同种型是 FcγR 介导的相互作用的重要决定因素，然而，没有实质性证据支持 FcγR 对 mAb 的药物代谢动力学有影响的观点。此外，ICI 还表现出随时间变化的清除率，即治疗开始后清除率随时间的变化。这种现象在很大程度上归因于疾病状态：肿瘤负荷下降时清除率降低，然而对于以什么机构驱动该相互作用还存在不确定性。
综上可知， ICIs 的药代动力学 (Pharmacokinetics， PK) 受靶点介导的药物位置和随时间变化的药物清除率的影响，但PK 的中等至高度个体间变异性目前只能在一定程度上通过患者特异性特征的差异来解释。
制药公司后期的一项实验则就是想从个体变异性角度来研究影响 PK 的因素及其与现实环境中临床结果的关系，该实验招募了接受帕博利珠单抗单药治疗的晚期癌症患者，予以连续采样以获得低谷浓度，生成 PK 模型，评估协变量效应并通过引导程序进行内部验证。其中的PK 参数与总生存期 (overallsurvival， OS) 和免疫相关不良反应 (irAE) 的发生有关。经过中位随访2.2年，生成了一室PK模型（如图4），发现体表面积（body surface area， BSA）和血清白蛋白对药物清除率有显著影响（CL;协变量估计值分别为 1.46 和 -1.43），血清乳酸脱氢酶 (Lactate Dehydrogenase, LDH)则明显影响药物的分布容积（Vd; 0.34）。根据预后因素校正后，对于晚期非小细胞肺癌患者和恶性胸膜间皮瘤患者，存在显著的反向CL-OS关系（HR分别是1.69[p=0.024]和3.29[p=0.037]），但在黑色素瘤或尿路上皮细胞癌患者中则没有发现这样的相关性（p=0.34），此外，清除率和3级及以上的免疫相关事件之间也未见明显相关性。该实验结果提示不能对所有的患者使用相同剂量的派姆单抗，需探索个性化的应用剂量。
“直挂云帆济沧海”
keytruda的市场营销与未来展望
可瑞达（帕博立珠单抗）与欧迪沃（纳武单抗）是最早的两款PD-1单抗，分别来自默沙东和BMS两大制药公司。从时间上看，可瑞达和欧迪沃的研发与最初获批没有明显差距，BMS甚至还在与默沙东关于PD-1单抗专利权的官司中占得了上风，获得了可瑞达在数年中的销售额分成。那么，为什么可瑞达在2016年以来的数年中获得了远超欧迪沃的销量呢？2019年第三季度，可瑞达的销量相比2018年同期增长了62%，达到了可观的310万美元，而欧迪沃的销量仅增长了可怜的1%——为180万美元。为了回答这个问题，我们需要知道什么是一线与二线治疗。
一线治疗，顾名思义即针对某种疾病的首选疗法，一般为一套明确的药物和疗法组合，也是公认的最佳疗法。效果不佳、有严重副作用或性价比低都可能是某种药物进入一线治疗的障碍。我们知道肺癌是最常见的几种癌症之一，也是广谱抗癌药物的必争之地。虽然欧迪沃比可瑞达更早获批用于肺癌，尤其是占所有肺癌80%的非小细胞性肺癌的治疗，可瑞达却在2016年十月拿到了用于非小细胞性肺癌一线疗法的批准，占领了大量市场份额。而欧迪沃彼时仅可用于经铂化疗后出现复发和转移的患者的治疗。
为什么可瑞达能在非小细胞性肺癌的审批领先欧迪沃呢？在非小细胞性肺癌的III期临床中，默沙东谨慎地将样本局限于50%以上细胞表达PD-L1，即PD-1天然配体的病人中，而BMS选择在更广范围的病患中开展实验。可瑞达的III临床结果不仅改善了病患的无进展生存期，还在六个月的实验中改善了总生存，而欧迪沃的表现却不尽如人意。显然，药物本身的效果之外，临床实验的设计对制药公司来说也是至关重要的。
2018年到2019年，可瑞达进一步获得了与卡铂、紫杉醇联合用于转移的鳞状非小细胞性肺癌一线治疗的批准，又一路顺风地获批用于不适用手术或放化疗的III期非鳞状非小细胞肺癌的一线疗法。而欧迪沃虽然先一步被批准与BMS的CTLA-4单抗，易普利，另一种免疫检查点抑制剂，联合用于肾细胞癌的一线治疗，却再一次在临床被可瑞达反超：可瑞达与酪氨酸激酶抑制剂阿西替尼的联合疗法，相比可瑞达与易普利，能在更多的肾细胞癌患者中产生明显疗效。此外，可瑞达还抢下拿下了在一列癌症的使用许可。可瑞达相比欧迪沃的优势之来源也就不足为奇了。
虽然世界各地的药品监督管理局都对抗癌药物的适应症制定了详细的规范，在实际中，医生一般可以在一定程度上超出这些规范用药，也就是所谓的“超适应症用药”。当然，这种状况下的用药也是需要循证医学证据和病患的知情同意。比如，直到2019年可瑞达才在我国获批用于非小细胞肺癌的一线治疗，但在此之前，我国的医生也有一定的使用可瑞达治疗肺癌患者的自由。
在可瑞达和欧迪沃广泛用于临床之后，我国的生物公司纷纷走上了自主研发人源化PD-1单抗的道路。国产的PD-1单抗药品拓益、信迪利、艾瑞卡、百泽安先后在我国获批上市。2020年，信迪利成为我国医保项目可以报销的唯一一种PD-1单抗药品。我们可能认为，虽然选择只有一种，但信迪利进入医保至少已经可以让广大的癌症患者都能够用的上、用得起PD-1单抗类药物。然而，实际情况并非如此。只有至少经过二线系统化疗的复发或难治性经典型霍奇金淋巴瘤患者才可以医保报销治疗所使用的信迪利，因为这是药监局给出的唯一的信迪利适应症。其他说明书上给出的适应症，如晚期肝癌的患者则只能自费购买药品，即使信迪利已经通过了肝癌的II期临床试验。地方的医保补充项目可能会包含更多药物，如上海的沪惠保就包含了百济神州的替雷丽珠单抗。但是，也有着适应症、用药史乃至癌症转移状况和癌症分期方面的诸多条件。因此，PD-1单抗抗癌药在实际中的应用情景，特别是“超适应症用药”常常比我们所想象的更加复杂。
那么，不同的PD-1单抗有什么本质上的差异？简而言之，可瑞达和欧迪沃本身有相对国产PD-1单抗的优越性主要在于用于制备帕博立珠单抗和纳武单抗的单克隆细胞的序列。单克隆细胞的序列决定了抗体所结合的表位，让帕博立珠单抗和纳武单抗能更好地结合并抑制PD-1，而序列其实就是专利所保护的对象。国产PD-1单抗的“创新”也集中在序列上。
最新的PD-1单抗药物，来自百济神州的百泽安，被描述为有与PD-1亲和力更强的Fab和更短的Fc。与PD-1亲和力更强的Fab的作用不言而喻，而更小的Fc也许可以降低单抗分子在体内被清除的速度，带来更好的药代动力学表现。2021年5月18日，美国食品药品监督管理局(FDA)已受理中国自主研发创新生物药达伯舒的新药上市申请(BLA)，并进入正式审评阶段。PD-1单抗作为抗癌药物界的热门领域仍然处于发展中。未来是否有同类药物能够替代可瑞达的霸主地位，我们目前还不得而知。
致谢
感谢课程老师吴兴新老师提供的方向指导；感谢指导老师李晓菲对本文撰写提供的具体建议与指导；感谢小组内的幺文韬同学在因故退课后仍继续参与并完成了负责内容。
关于笔者
寻药真理团
他们是南京大学新药研发策略课程的学生，本篇为该课程中新药7组学生成员共同完成。
他们朝气蓬勃、他们斗志昂扬，他们脚踏实地学习新药研发知识，他们坚信吾爱吾师吾更爱真理。
他们是新一代医药行业接班人，他们是新药研发领域的未来之光！
[5]林城,陈雄,刘静南,黄于芳,欧阳学农.PD-1/PD-L1信号通路在非小细胞肺癌免疫逃逸及其治疗中的研究进展[J].中国肺癌杂志,2014,17(10):734-740.
[6]王月华,胡志远.PD-1/PD-L1在肿瘤免疫逃逸中的作用机制及其临床应用[J].中国肿瘤生物治疗杂志,2017,24(07):784-790.
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