谢雨礼博士 | 药物创新：more is different

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01前言

诺贝尔物理奖得主、凝聚态物理学的开创者菲利普·安德森（Philip Warren Anderson）教授于1972年在《科学》杂志上发表了一篇影响深远的传世之作“More Is Different”。当时，粒子物理学被认为处于科学层次的最高点，而其它学科都是用基本规律解释现象的外延式研究。安德森教授认为还原论有局限性，虽然包括生命在内的复杂事物都可以分解为简洁的基本单元，但并不代表从基本单元可以推导重构整个宇宙的概貌。不同尺度的复杂事物和凝聚态必然涌现新的性质和规律。这篇经典也被视为是凝聚态物理学的独立宣言。

药物发现最初是从复杂层面开始的，一般是源于实践的某种经验总结。传统药物的成分非常复杂，治病机理也是各种朴素思想的糅合。20世纪初阿司匹林的问世标志着药物简洁化的开始，首先是药物分子的单一化和标准化。早期的这些药物一般是意外发现或者通过动物模型筛选得到的，生物学机制并不清楚。

1953年，DNA双螺旋结构的揭示推动了分子生物学的飞速发展，药物发现因此步入“1T1D” 时代（单一靶点，单一药物）。药物分子包括天然或者人工合成的化学小分子，以及上个世纪八十年代起步的生物大分子。靶点则以GPCR、核受体、激酶和各种细胞膜受体等蛋白为主。在高通量筛选和基于靶点药物设计等技术的推动下，简洁的“1T1D” 药物发现模式获得了前所未有的成功，为人类带来了数百个改变医疗现状的革命性药物。

然而，依据分子生物学规律推导的药物在重新进入复杂体系时，遭遇了细胞、动物和人体等不同层级复杂体系所涌现的新规律的狙击。特别是临床前动物研究和临床人体研究的差距巨大。在所谓“低悬果实”被大量摘取后，现代药物发现的成功率日益下降，成本和风险急剧升高。最近十年，虽然分子生物学的核心地位并没有改变，但药物和药物技术又开始从简洁回归复杂。

首先是靶点的多样化。沿着“生命中心法则”，蛋白质、RNA和基因三个环节都成为药物调控的目标。药物形式除了经典的小分子，多肽、蛋白、多糖和核酸，还出现了细胞、病毒和肠道菌等更加复杂的活体药物。药物分子的作用方式也更加多样，以传统的小分子为例，可以抑制或激动蛋白的功能（传统药物）、调控蛋白构象（变构）、修饰蛋白（共价）、抑制或诱导蛋白相互作用（PPI和分子胶）、诱导蛋白降解（PROTAC和分子胶）等。蛋白药物结合细胞膜上的受体，既可以调控生物学信号（单抗药物），也可以成为药物递送的工具（ADC）。核酸分子遵循碱基配对的原则，成为所谓“程序化的药物”，可以表达蛋白（mRNA）、编辑基因（sgRNA）和沉默基因(ASO和siRNA)。

药物在生物学上更加注重协同作用和合成致死等整体概念。多药联用也成为临床常用手段，特备是针对神经系统疾病、慢性病和恶性肿瘤等复杂疾病。高度选择性也不再是药物发现追求的唯一目标，多靶点和多功能的药物分子重新受到重视。最近的分析显示，上市的小分子激酶抑制剂没有完全的单靶点选择性，大多数作用于多个靶点，这些“off-target”对疗效和副作用可能有不同程度的贡献（3，4）。

多种技术组合的多特异性药物（multi-specific drug）成为药物技术创新的最新趋势。2020年，美国科学院院士Raymond J. Deshaies教授在《自然》上发表综述文章，将ADC、双抗、细胞、溶瘤病毒和基因编辑等多特异性药物技术称为继经验性药物、基于靶点的化药和生物药之后的“第四次制药革命”。

商学院的教材中，熊彼特的组合创新理论颇受欢迎。他认为创新不是发现新的东西，而是将旧要素重新组合的过程。多特异性药物可以视为几种药物技术的组合。药物技术的组合创新，拆解和掌握每个技术的特点固然重要，但成功的关键其实是通过正确的组合方式获得不同于单一技术的性质，从而创造新的生物学。

下面我们以第一三共（Daiichi Sankyo）研发的抗体偶联药物（ADC）DS-8201和强生的EGFR/MET双抗JNJ-61186372为例说明这一点。

02ENHERTU（DS-8201）

（图片来源：网络）

DS-8201使用的Her2抗体（Herceptin）、连接子（四肽）和毒素（喜树碱类似物Dxd）都是专利过期或者公开发表的老技术。日本人耗费十多年的功夫不断打磨，将这些旧要素组合成一款革命性ADC药物。DS-8201对Her2阳性的实体瘤有很好的疗效，相继在乳腺癌和非小细胞肺癌等适应症中获得了FDA批准。特别是它在Her2中低表达乳腺癌中的成功，改变了乳腺癌的治疗现状，成为继PD-1单抗之后的领袖级产品，年销售额预计会超过100亿美金。

ADC作为一个整体，肯定会涌现不同于单项技术的新特征。其中最重要的是融合了单抗的肿瘤组织特异性和小分子毒素的细胞杀伤能力。然而，不只是优点可以组合，单项技术的缺点有时也会相互叠加和影响。比如，单抗作为大分子，组织穿透能力差，也就是进入实体组织中的单抗分子很少。这样，与单抗绑定的小分子毒素需要极高的活性（细胞抑制的IC₅₀在皮摩尔范围）才能有效地杀伤肿瘤。自然界达到皮摩尔级别的毒素很少，也很难通过化学合成的方法获得。因此，长期以来ADC毒素局限于美登素等几种天然化合物，极大限制了ADC技术的发展。

然而，DS-8201却打破了这一思维定势。中等活性的毒素Dxd（纳摩尔级别），通过高DAR值（小分子和单抗的比例达到7.7）和旁观者效应（透膜继续杀伤周边的肿瘤细胞），也能达到足够的疗效。中等活性毒素或者载荷的可选范围大大增加，生物学机制也更加多样化，ADC创新的大门就此打开。比如，除传统的毒素外，单抗与小分子免疫激动剂偶联（ISAC、TLRs/STING等）最近成为热门方向。

有意思的是，单项技术的缺点通过组合甚至可以变成优点。DS-8201使用的毒素Dxd是一种含有内酯环的喜树碱类似物，体内容易水解开环，因此难以单独成药。小分子药物被吸收后由血液输送到肿瘤组织，一般需要良好的血浆稳定性。而ADC则相反，先通过抗体将小分子毒素带到肿瘤细胞，由里往外扩散，分子离开肿瘤进入血液或正常组织后最好迅速代谢失效以减少毒副作用。这样，Dxd的不稳定性反倒成为DS-8201降低系统毒性的一个优势。神奇的是，Dxd的水解依赖于体系的PH值，恰好在肿瘤酸性环境中不易水解，为DS-8201提供了另一个层面的组织选择性。

不同技术的生物学协同作用也是多特异药物的优势之一。DS-8201的疗效得益于Dxd独特的药理作用，对微管抑制剂治疗过的病人更敏感，而且作为Ⅰ型拓扑异构酶（Top1）抑制剂不但能够杀伤肿瘤细胞，也可以调节免疫微环境，增加单抗的抗体依赖性细胞毒性（ADCC）作用，与Her2单抗具有协同作用。

连接子（Linker）在ADC药物中的作用也非常独特，既要保证ADC的稳定性，又要确保毒素能够选择性地在肿瘤细胞或肿瘤组织中高效释放。DS-8201的连接子是一种能够被肿瘤中特有的蛋白酶识别和切割的四肽。酶切连接子能够提供单抗靶向性之外的第二层选择性。DS8201连接子中包含了一个最为简洁的自裂解结构，提高了毒素的释放效率。另外，一个单抗携带多个小分子，容易导致ADC聚集。DS-8201的水溶性四肽连接子较好地解决了这个问题。

连接子能不能直接参与ADC药物的药理作用呢？到目前为止，作者本人还未发现有药理活性连接子的公开报道。不过，最近有关喜树碱类Ⅰ型拓扑异构酶（Top1）抑制剂的机理研究给我们提供了一个新思路。2021年，美国芝加哥大学的科学家发现喜树碱类化合物诱导细胞脂类物质的氧化，产生诸如羟基壬烯醛（HNE）之类小分子醛类物质（5）。只有这些活性醛与Top1的一个半胱氨酸（C630）发生共价反应形成加合物，喜树碱才能发挥有效的Top1抑制作用。这个机制很好地解释了DS-8201在各种Her2阳性细胞中的活性差异，可能与细胞的氧化应激状态有关。一个很有意思的观察是包含裂解结构的ADC连接子在发生自裂解时会形成有共价修饰能力的中间体。这些活性中间体能否类似地共价修饰Top1而贡献药理活性非常值得探索。

今天，我们都在强调创新。然而，药物创新与基础研究，特备是所谓的“CNS”（《Cell》、《Nature》、《Science》）文章不能划等号。DS-8201的单抗，连接子和毒素都非常普通，DS-8201当年的研究文章仅发表在影响因子较低的小杂志上。组合方式的优化是一种技术科学，比较琐碎，而且缺乏理论指导，特别需要耐心和石匠精神。现在看来，DS-8201很多创新点并不是一开始就设计好的，而是在做的过程中逐渐产生的，有的甚至完全是运气。而且，还有很多神奇的观察至今难以解释，比如DS-8201对有些Her2阴性和脑转移病人的显著疗效。

做药需要运气，但运气只属于那些真正去做的人，这一点特别值得我们深思。

03Amivantamab (JNJ-61186372)

（图片来源：网络）

经典的双抗（bispecific antibody）是所谓的细胞连接器（cell engager），靶向不同细胞上的靶点，将它们拉在一起启动生物学效应，比如将免疫细胞拉近杀伤肿瘤细胞。今天，双抗的涵义扩展至任何包含两种结合位点的分子，比如靶向同一细胞的不同靶点或者同一靶点的不同表位。大分子药物很难进入细胞内，一般只能靶向细胞膜上的靶点。抗体药物因此面临靶点缺乏的瓶颈，不同靶点的组合可以一定程度上缓解这一困局。双抗，甚至多特异抗体迅速成为生物药开发的热门方向。

EGFR/MET双抗JNJ-61186372是去年上市的几个原创药物之一，用于治疗EGFR Exon20插入子变异的非小细胞肺癌，临床上还在积极探索针对第三代TKI耐药。这款双抗的设计非常直观，因为EGFR变异和MET扩增是非小细胞肺癌发生和耐药的重要机制，同时靶向这两个信号通路有望增加疗效和克服耐药。

JNJ-61186372的发现也没有大费周章。强生和Genmab合作，使用8个EGFR和5个MET单抗克隆，通过Fab臂交换（FAE）技术产生了40个双抗分子。一轮常规的筛选后，比如EGFR和MET的亲和力，就只剩下几个合格的分子。经过细胞和动物评价，JNJ-61186372成为唯一的候选分子。做了一个增强ADCC的去糖处理，这个分子就一路过关斩将，于2021年成功获批上市。

只看开头和结尾，这是一个很完美的故事，做药似乎也没有这么难。仔细研究其生物学机制才能意识到JNJ-61186372的成功犹如惊涛骇浪，完全是设计加运气的产物。首先是这个分子与EGFR（kd,1.43nM）的亲和力比MET（0.04nM）弱了将近40倍。在MET高表达的肺癌细胞中，对MET信号通路的影响可能占主导。事实上，JNJ-61186372对EGFR变异驱动的非小细胞肺癌细胞株H1975的抑制活性非常弱，主要诱导MET的内吞和降解，对EGFR 受体的蛋白水平影响较小（6）。在细胞水平上，该药的作用似乎只是相当于一个MET单抗。

非常有意思的是，JNJ-61186372在H1975 动物模型上的效果非常好，显著优于EGFR和MET单抗或者小分子抑制剂的联用。而且，肿瘤组织中EGFR和MET蛋白水平和下游信号双双下调。也就是说，动物水平上这个药物又变成了一个完美的双抗。

研发人员马上意识到，这可能是因为抗体诱导的免疫效果在发挥作用。确实，H1975与免疫细胞（PBMC，包括NK、单核细胞和巨噬细胞等）共培养后，药物对肿瘤细胞的抑制作用大大增强，而ADCC效果差、Fc糖基化的双抗没有明显效果。这个结果可以解释动物中观察到的效果，但仍有两个疑问难以回答。第一个是，NK细胞介导的ADCC效果一般2-4小时就会发生，而药物的抑制作用需要48小时才能达到高峰。另外，在外周血单核细胞（PBMC）的存在下，药物仍是通过下调EGFR和MET信号抑制细胞增殖和诱导细胞凋亡，而不是简单的免疫杀伤作用。

通过排除法，研发人员发现只有在PBMC当中去除巨噬细胞才会实质性地削弱药物的抑制效果。动物实验中，如果用anti-CSF1R抗体清除巨噬细胞也会导致药物失效。进一步研究发现，双抗的Fc区域与巨噬细胞或者单核细胞发生作用，诱导了一种叫做胞啃（trogocytosis）的免疫作用（抗体依赖的细胞胞啃作用，ADCT）。这种胞啃作用将肿瘤细胞膜上的EGFR和MET受体转移到了巨噬细胞之中，从而下调这两种信号通路，抑制肿瘤细胞的增殖。这些结果很好的解释了前面提到的两个疑问。至此，我们可以说JNJ-61186372是一款EGFR/MET双抗，但是，其机制与最初的设计又有所不同。

故事到这里还没有结束。我们知道，肿瘤组织中的巨噬细胞（TAM）又分为M1和M2两种类型，其中M1有利于清除肿瘤细胞，而M2是免疫抑制性细胞。JNJ-61186372能够有效诱导M1和M2两种巨噬细胞发挥胞啃作用。这一特点对于该药的成功也至关重要。因为，M2是EGFR变异非小细胞肺癌中构成免疫抑制微环境的主要细胞，也是数量最多的。一定程度上，JNJ-61186372将敌军转变成了友军。M2的胞啃作用只是下调肿瘤细胞的EGFR和MET信号，还是自身的免疫抑制作用也又所改变，是很值得探索的一个科学问题。

最后，JNJ-61186372弱EGFR和强MET的搭配也发挥了关键作用。一方面正常组织中MET表达低，双抗对野生型EGFR的作用弱（Affinity，单靶点结合），皮疹等常见毒性发生率下降；另一方面，肿瘤组织中MET的高表达和强MET亲和力既可以让分子在肿瘤中富集，也增加双抗对EGFR的亲和力（Avidity，双靶点结合增加整体结合力），进一步起到了减毒增效的作用。本来这样的强弱搭配是不利于双靶点发挥药效作用的，但意外的ADCT免疫作用巧妙地解决了这个问题。这个案例也进一步例证了组合创新将缺点变优点的可能性。

04结语

按照安德森“多则异”的理论，多特异性药物一定会产生不同于单一技术的性质。关键是如何将新的性质转化成临床优势，我们不能为了新而新，为了复杂而复杂。组合的新性质有的是可以设计和预期的，但更多的时候是不可预测的，却成为多特异药物成功或者失败的关键因素。这就是为什么原创有很大的风险。

今天，fast-follow仍然是性价比很好的新药研发策略。但是，在跟随复杂技术或者多特异药物的时候，一定要将其涌现的新性质研究透彻，否则同样有较大的风险。比如，将EGFR/MET双抗粗浅地理解为阻断两个受体，而不关注免疫作用，或者对DS-8201的单抗、连接子和毒素不加思考地修改，都会带来极大的不确定性。

（创作于2022年8月20日于上海）

参考文献：

1. Science 1972，177，4047

2. Nature 2020，580，329

3. Nat Biotechnol 2011 Oct 30;29(11):1046-51

4. Nat Commun 2022 Jul 27;13(1):4349

5. Cell Chem Biol 2021 Jun 17;28(6):776-787

6. Mol Cancer Ther 2020 Oct;19(10):2044-2056

7. Int J Mol Sci2022 Jun 10;23(12):6489

8. 其它公开资料

谢雨礼 博士

微境生物医药科技（上海）有限公司和苏州偶领生物医药有限公司

创始人、总经理

肝病新药联盟创始委员，《药时代》合作伙伴、专栏作家，毕业于南开大学化学系，获得中国科学院上海药物研究所的博士学位，在哥伦比亚大学从事博士后研究工作。在美期间，谢博士曾在哥伦比亚大学医学院与默沙东公司合作的联合实验室从事新药研发工作。回国后先后在扬子江药业、日本大冢和药明康德任职，从事立项、研发和项目管理以及运营和市场情报工作。2017年4月份起创业，先后创办苏州偶领生物医药有限公司、微境生物医药科技（上海）有限公司，致力于创新化药的研究和开发。

05好消息！

2022年11月3日、4日，“海阔凭药去，大道创新行！——2022第三届中国新药CMC高峰论坛”将在上海隆重举办，谢雨礼博士应邀出席并做嘉宾演讲。欢迎朋友们参加盛会，与谢博当面切磋探讨！

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