临床上癌症治疗的两大治疗策略是基于抗体的免疫疗法与基于化学药物的化学疗法，在多年研究后，两种疗法都已经具有成熟的治疗体系。化疗有阿霉素等通过直接破坏DNA或嵌入DNA而干扰转录的抗肿瘤抗生素、氮芥等遏制肿瘤增生的烷化剂和甲氨蝶呤等抗体代谢剂；免疫疗法有靶向抗体、过继细胞疗法、溶瘤病毒、癌症疫苗以及免疫调节剂五大类疗法，其中还出现了CAR-T等充满潜力的疗法。
图1. 癌症的免疫疗法
在化学疗法治疗体系中，小分子化学药物虽然具备对癌细胞的高度杀伤效力，但选择性差，对正常细胞和肿瘤细胞几乎无差别攻击，负面作用严重，对肝脏、肾脏、神经、心脏等重要组织器官都有损害。而当免疫疗法应用在临床实践中时，治疗性抗体虽然靶向性强，但是由于其分子量较大，对于实体瘤的治疗效果有限。因此，为了解决两种癌症主流疗法的缺点，研究者设想，能否将化疗的高效杀伤与免疫疗法的精准定位相结合。ADC抗体偶联药物的最初灵感来自诺贝尔奖得主Paul Ehrlich提出的magic bullet设想：可以针对病原体特殊的结构特点，寻找和研制只杀伤病原体，不影响正常组织和细胞的药物，而如果把化疗药物连接到抗体上，就能提高治疗的选择性和效果。
图2. 癌症的两类疗法
在这一设想指导下，抗体药物偶联物（antibody-drug conjugate，ADC）是通过一个化学链接将具有生物活性的小分子药物连接到单抗上，单抗作为载体将小分子药物靶向运输到目标细胞中。
图3. ADC的三个发展阶段，来源：The Royal Society of Chemistry，平安证券研究所
Paul Ehrlich始于对梅毒治疗方法的设想，于1913年首次提出“魔术子弹”的概念。基于此，1958年首款抗体-细胞毒偶联药物问世，将抗体与甲氨蝶呤偶联用于治疗白血病，但并未成功。1970年代杂交瘤技术的出现使ADC研发步入正轨，ADC药物首次进入动物实验。在第一代ADC药物中，丝裂霉素C、长春花生物碱等抗肿瘤药物主要通过不可裂解的连接物（酰胺或琥珀酰亚胺）与鼠单抗偶联，存在较严重的免疫原性问题。继80年代末Greg Winter开创人源化单克隆抗体技术，2000年Mylotarg成为首款获批的ADC药物，但Ⅲ期研究发现其无更显著的临床优势，且具有严重的肝毒性，2010年主动撤出市场；在辉瑞调整过给药方案后，2017年被FDA重新批准上市。
图4. 第一代ADC药物的特点，来源：财通证券研究所第二代ADC代表药物为2011年上市的Adcetris（Seattle Genetics）和2013年上市的Kadcyla（罗氏），使用了以曲妥珠单抗为代表的人源化单抗以及更高效的小分子药物，共同驱动ADC技术的升级迭代。但偶联方式仍与第一代类似，linker的稳定性仍待提高。此外由于脱靶毒性、存在未结合抗体以及药物抗体比（DAR）较大引起ADC聚集或快速清除，目前大多数第二代 ADC显示出较窄的治疗窗口，难以满足患者的需求。
图5. 第二代ADC药物的特点，来源：财通证券研究所
研究永无止境，很快第三代ADC药物进入人们的视野。其利用小分子药物与单克隆抗体的位点特异性结合，可确保具有明确DAR的抗体偶联药物；另外抗体、连接物、结合小分子药物的优化，使药物活性、稳定性和药代动力学大大提高，药物毒性和偶联脱落速度更低，低抗原水平下的细胞活性高。仅2019年以来就上市了8款药物，将治疗适应症扩增到膀胱癌和胃癌。
图6. 三代ADC药物的特点，来源：Nature，平安证券研究所全球目前已有13款上市的ADC药物，治疗领域主要集中在血液瘤和实体瘤方面，并且主要用于患者的后线治疗，包括晚期、复发/难治性以及转移性的肿瘤适应症，在未来几年里预计继续成为抗癌领域的研究热点。简单来说，ADC就是“单克隆抗体＋化疗”的组合疗法，ADC药物就是“抗体＋连接子＋效应分子”三种元件的组合，因而兼顾了单克隆抗体的选择特性和化疗的杀伤能力。ADC先通过静脉注射进入血液循环，抗体识别并结合细胞表面的特异性抗原。接着，在与细胞表面抗体特异性结合的细胞表面受体介导下，ADC药物被内吞，并且进入溶酶体进行降解，效应因子在细胞内以高效活性形式被足量释放，发挥作用，直接杀死或诱导细胞凋亡。
图7. ADC药物作用机制，来源：Antibody–drug conjugates as novel anti-cancerchemotherapeutics因此，从作用机制来看，靶点的选择、抗体改造、Linker的设计、毒性小分子的选择以及偶联方式成为了影响ADC药物设计的五个核心因素。靶点是决定ADC适应症重要因素之一，是ADC设计的基础。成为靶点需要满足以下条件，即在肿瘤细胞中高表达而在普通细胞中低表达、位于细胞表面、具备内化功能。三者缺一不可，是ADC精准作用，充分接触，进入细胞内部充分发挥功能的保障。
图8. ADC靶点，来源：ACROBiosystems
抗体主要有以下5类：IgM、IgD、IgG、IgE和IgA。其中，IgG的一个亚型IgG1是癌症免疫治疗的最常用的抗体。一个典型的IgG1抗体由两个重链和两个轻链组成，且分为两个区域。Fc区域负责抗体被免疫效应因子识别；Fab区域负责提供抗原特异性。
图9. IgG1抗体，来源：Seattle Genetics
通过表格数据对比，可以看出，IgG1具有相对强的抗体依赖性细胞毒性（ADCC）和补体依赖性细胞毒性（CDC）和易于生产等特点。且半衰期较长，是ADC药物的理想选择。
通常情况下，linker设计的要求需要既具有稳定性，且能在到达适当位置时，释放出效应因子。linker分为可切割的和不可切割的类型：可切割的linker：该linker主要利用了血液系统和肿瘤细胞的环境差异，当环境发生变化，linker断裂释放药物；
可分裂的连接体可分为三个主要的亚类：酸依赖性断键、氧化还原依赖的断键和可酶切割的断键。
不可切割的linker:该linker在血浆中更加稳定，且有证据表明，该linker有效载荷的释放主要发生在ADC内化后的溶酶体中，具有较低的系统毒性。
作为ADC杀伤力的关键，主要有以下两种作用机制：一个是造成DNA损伤；另一个是抑制微管蛋白多聚。具有毒性强，且水溶性及稳定性好、有能够和linker偶联的基团等特点。
早期ADC随机偶联方法存在诸多弊端，定点偶联逐渐发展成为了主流技术，主要有以下四类：通过基因工程在抗体的特定点插入半胱氨酸残基，然后将半胱氨酸上的羟基和毒素偶联，形成位点专一的抗体偶联药物。
图12. 引入反应性半胱氨酸，来源：生物制品圈ADC药物研究报告在生物体内任意目标蛋白的特定位点引入非天然氨基酸，这些非天然氨基酸上的残基可以与连接子结合，形成位点专一的ADC。
图13. 引入非天然氨基酸，来源：生物制品圈ADC药物研究报告
通过在抗体序列中插入可以被一些专门酶识别的特定氨基酸标志物，使得毒素可以与抗体有选择性的进行连接。
图14. 酶催化法，来源：生物制品圈ADC药物研究报告
通过将单抗本身的二硫键还原，利用二溴试剂与还原的链间二硫化物反应，以提供重新桥接的mAb。
图15. 二硫键还原法，来源：生物制品圈ADC药物研究报告
作为目前抗癌疗法中较为先进成熟的靶向药物技术，ADC药物在多方面展现优势：旁观者效应发挥良好杀伤力，多个靶点展现泛癌种治疗潜力。ADC药物整体还处于一个蓬勃发展的阶段，无论是在研发过程还是临床应用中都面临着巨大的挑战。脱靶毒性：由于难以避免递送过程中的脱靶，毒性小分子会被提前释放到血液循环中，造成中毒风险。
蛋白质聚集：ADC研发过程中的主要障碍。反复冻融、温度浓度pH值变化都可能会造成ADC结构改变引发蛋白质聚集，从而影响免疫原性和产物损失。耐药性：ADC药物的耐药性与靶抗原下调、细胞周期、信号通路、基因突变等有关。
图17. ADC药物的耐药性机制，来源：Biomedicines. 2021 Aug; 9(8): 872.
临床不良反应：在ADC药物的临床试验中，出现了各种不良反应，与其靶标性质、连接头选择、毒性载体数量等多种因素相关
图18. ADC药物的临床不良反应，来源：《抗体药物偶联物治疗恶性肿瘤临床应用专家共识（2020 版）》
1、如今ADC药物的研发处于一个井喷式的状态，相关专利数、研发项目数和临床药物实验数等都呈现上升趋势。
图19. 1987-2018年全球ADC药物专利申请情况，来源：中信建投证券
2、其未来市场预期也呈现一个高发展势态。根据数据模型估算，全球ADC药物市场规模巨大，总销售额到2026年将超164亿美元。
图20. 2019-2026年全球ADC药物销售市场预期，来源：Nature Reviews Drug Discovery目前ADC研发出现了靶点选择的高重复现象，多数药物都集中在几个热门靶点上，尤其是HER2靶点在研药物远超其它。但实际上全球处于研发状态的有二百多个靶点，选择十分多样化，靶点潜力有待进一步挖掘。
图21. 全球在研及上市ADC药物重点布局靶点，来源：中信建投证券
就适应症而言，ADC药物在疾病研究领域高度集中，基本面向实体肿瘤。但是，相关研究显示ADC药物非癌适应症潜力不小，在自身免疫疾病、细菌感染类疾病、肝纤维化、病毒感染等方面都有所药力发现，这为其研发开拓了新的方向。
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，本文为该课程中11组的吕静雯、马杉池、谈曦、王彦4位同学共同完成。
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！
参考文献（向下滑动查看更多）：
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