抗体-药物偶联物(Antibody–drug conjugates，ADC)是由“单抗、细胞毒性药物以及将两者连接起来的连接头（linker）”组成的一类新型靶向药物。ADC的设计初衷是提高化疗的有效性，并降低其毒性。由于抗体具有靶向性（可识别癌细胞表面抗原），因此可将细胞毒性分子选择性地直接“运送”到肿瘤细胞中，在发挥抗癌作用的同时，又避免对健康细胞产生影响。
近期，因“AbbVie正式放弃开发ADC药物Rova-T，58亿美元投入打水漂”、“阿斯利康69亿美元买来的ADC药物DS-8201申请上市，获得FDA优先审评”等新闻，这类被誉为“抗癌导弹”的药物再次引发关注。
那么，ADC药物究竟是如何设计的？作用原理是什么?目前的临床应用和开发现状怎样？有哪些在研药物未来可能获批上市？8月31日，在发表于顶级医学期刊《柳叶刀》上的一篇论文中[1]，来自美国NIH的3位科学家全面讨论了这些问题。
一、设计要素
正如前文所述，构成ADC的成分包括肿瘤抗原特异性单抗、稳定的化学连接头（linker）以及有效的细胞毒性分子（也称载荷）。设计ADC时，有很多重要因素需要考虑。
抗体及靶抗原
ADC抗体部分的理想特性包括：1）具有最小化的免疫原性；2）靶抗原具有足够的特异性以及结合亲和力，并可实现有效的内化（internalisation，ADC-靶抗原复合物需要通过受体介导的内吞作用被内化，从而使其在细胞内释放有效的细胞毒性载荷）；3）具有较长的循环半衰期。
在特异性方面，一个理想的靶抗原需要同时具备两个特性：1）在靶细胞表面表达；2）在健康组织中低表达。此外，ADC理想的抗原的脱落（Shedding）情况还应该尽可能地少，以防止游离的抗原在循环中与抗体结合。
细胞毒性载荷
细胞毒性载荷（分子/药物)是ADC最终的效应成分。ADC的毒性载荷可以靶向DNA，也可以靶向微管蛋白。
靶向DNA的毒性分子包括duocarmycins、calicheamicins、pyrrolobenzodiazepines（PBDs）和SN-38（irinotecan的活性代谢物）等。其中，calicheamicins的作用机制是诱导双键断裂，duocarmycins和PBDs的作用机制是导致DNA烷基化。
微管蛋白抑制剂MMAE（auristatins monomethyl auristatin E）和MMAF（monomethyl auristatin F）的作用是抑制微管聚合，导致G2/M期细胞周期阻滞。
选择ADC有效毒性载荷的基本参数包括偶联性、溶解度和稳定性。被选择的毒性分子的结构应该能够保证其可与连接头（linker）偶联，此外，毒性分子的水溶性以及在血液中的长期稳定性非常重要，因为ADCs是在水溶液中制备并通过静脉注射的。
连接头
连接头（linker）负责连接细胞毒性载荷与单抗，并在体循环中维持ADC的稳定性。连接头（linker）的化学特性以及偶联位点在ADC的稳定性、药代动力学和药效学特性以及治疗窗口方面起着至关重要的作用。
一个理想的连接头（linker）既要具有足够的稳定性，以保证ADC分子不过早分裂，安全通过血液循环，到达目标位置；也要能够在内化过程中快速断裂，以释放毒性载荷。根据载荷的释放机制，目前可用的连接头（linker）被分为可切（cleavable）和不可切（noncleavable）两类。前者依赖于生理环境释放载荷，如gemtuzumaboz ogamicin中依赖低pH值的酸不稳定连接头、brentuximab vedotin中依赖蛋白水解作用的蛋白酶可切连接头以及mirvetuximab soravtansine中依赖较高细胞内谷胱甘肽浓度的二硫化物连接头。不可切的连接头是与单抗中的氨基酸残基形成不可还原的键，因此在血液中更稳定；这类连接头（如硫醚连接头）依赖于单抗的溶酶体降解来释放有效载荷。
连接头的偶联特性对控制ADC的治疗窗口至关重要。ADC的药物/抗体比（drug to antibody ratio, DAR）或粘附到单抗上的毒性药物的数量决定着ADC的效力和毒性。虽然高载药量可以增加ADC的效力，但也会增加脱靶效应。为了克服生产过程中产生各种不同DAR的ADC药物，一些研究采用了位点特异性偶联的创新方法，以减少可变性，改善偶联稳定性和药代动力学特性，最终生产出更相同的ADC产品[2, 3]。
二、作用机制
简单来说，ADC的作用机制分5步：1）ADC与靶细胞上的抗原结合；2）ADC-抗原复合物通过内吞作用内化；3)ADC在溶酶体中降解；4）细胞毒性载荷（药物）释放并发挥作用；5）靶细胞凋亡。
由于ADC的口服生物利用度较低，因此，这类药物通过静脉注射给药。在血液中循环的ADC首先找到并结合它们的靶细胞，与靶细胞上的抗原结合后，ADC-抗原复合物会通过网格蛋白（clathrin）介导的内吞作用内化，形成一个包含ADC-抗原复合物的初级内体(early endosome)（图2A）。在与溶酶体融合之前，初级内体最终会发展为次级内体。对于具有可切连接头的ADC来说，裂解机制（如水解、蛋白酶裂解、二硫键还原裂解）既有可能在初级内体中发生，也可能在次级内体中发生，但不会到溶酶体转运阶段。然而，对于具有不可切连接头的ADC来说，释放毒性载荷（药物）是在溶酶体中通过完全的蛋白降解实现的：溶酶体中的质子泵会创造一种酸性环境，促进由蛋白酶（如cathepsin-B、plasmin）介导的蛋白水解裂解（proteolytic cleavage）。
三、5款已上市产品
到目前为止，共有5款ADC获FDA和EMA批准，包括：①brentuximab vedotin, ②ado-trastuzumab emtansine (T-DM1), ③inotuzumab ozogamicin, ④gemtuzumab ozogamicin和⑤polatuzumab vedotin-piiq。表1概述了这些药物的设计、获批适应症、剂量和不良事件等内容。
表1 经FDA批准上市的ADC
Brentuximab vedotin
Brentuximab vedotin 也称SGN-35，是由“CD30抗体”通过蛋白酶裂解连接头（一种肽连接头）偶联“抗有丝分裂小分子MMAE”而成的ADC。每个抗体平均偶联4个MMAE，后者可干扰微管蛋白聚合并破坏有丝分裂功能，随后诱导细胞周期阻滞和细胞凋亡。
Brentuximab vedotin于2011年获FDA加速批准（EMA 2012年批准），用于治疗复发或难治性CD30阳性霍奇金淋巴瘤患者（这些患者在接受Brentuximab vedotin治疗前要么接受了自体干细胞移植治疗，要么在自体干细胞疗法或多药化疗不能作为治疗选择时接受了至少两种其它疗法治疗）或复发或难治性系统性间变性大细胞淋巴瘤。
2017年，FDA又批准brentuximab vedotin用于治疗先前接受过系统治疗的原发性皮肤间变性大细胞淋巴瘤或CD30阳性蕈样真菌病成人患者。
2018年3月，brentuximab vedotin又从FDA收获了一个新的适应症——联合化疗治疗先前未经治疗的III或IV期经典型霍奇金淋巴瘤患者。同年11月，该药又获FDA批准用于联合化疗治疗先前未经治疗的系统性间变性大细胞淋巴瘤或其它表达CD30的外周T细胞淋巴瘤。
截至该综述作者统计时，ClinicalTrials.gov上有60个活跃的临床试验（I期到III期）在调查基于brentuximab vedotin的联合疗法，用于治疗血液学恶性肿瘤。举例来说，代号为NCT03712202、NCT03057795、NCT02758717、NCT01896999、NCT03138499、NCT02927769、NCT03233347以及NCT01896999的试验正在早期或复发或难治性霍奇金淋巴瘤中评估brentuximab vedotin+免疫检查点抑制剂（nivolumab、ipilimumab）的联合疗法，且初步结果表明，PD-1阻断联合ADC可能会增强该患者群体的治疗反应。
Ado-trastuzumab emtansine, or T-DM1
T-DM1由“曲妥珠单抗（trastuzumab，一种结合HER2的人源化单抗）”与“微管抑制剂DM1”通过硫醚连接头偶联而成。每个曲妥珠单抗可连接约3-4个DM1分子（共价偶联到曲妥珠单抗上的赖氨酸残基上）。
2013年，FDA和EMA批准了T-DM1作为单药治疗HER2阳性转移性乳腺癌患者，这些患者先前曾接受曲妥珠单抗和一种紫杉醇单独或联合治疗。目前，仍有大量临床试验在评估T-DM1用于治疗各种阶段乳腺癌、肺癌、结直肠癌和其它实体肿瘤的潜能。
Inotuzumab ozogamicin
Inotuzumab ozogamicin是一种由“CD22单抗（重组人源IgG4）” 与“卡奇霉素（calicheamicin）的半合成衍生物”通过一种酸不稳定连接头偶联而成的ADC。CD22是一种B细胞特异性跨膜唾液糖蛋白，负责B细胞的活化和调节。每个inotuzumab ozogamicin 偶联约6个calicheamicin衍生物分子。
2017年，inotuzumab ozogamicin被FDA和EMA批准用于治疗成人复发或难治性B细胞前体急性淋巴细胞白血病。截至统计时，ClinicalTrials.gov仍登记了20多项调查inotuzumab ozogamicin其它治疗潜能的临床试验。
Gemtuzumab ozogamicin
Gemtuzumab ozogamicin由“CD33单抗（重组人性化IgG4-κ）”与“N-acetyl-γ-calicheamicin”通过一种酸不稳定连接头偶联而成。Gemtuzumab ozogamicin最早在2000年被FDA批准用于治疗复发性CD33阳性急性髓系白血病。然而，在上市后的临床试验表明该药不能提高生存期，并与严重的安全性问题和过早死亡相关后，gemtuzumab ozogamicin又于2010年退出了市场。撤市后，由独立研究者开展的后续临床研究继续评估了该药的替代剂量以及给药策略。由于试验结果表明，与先前停用的药物剂量策略相比，低剂量的分级给药策略不仅与更低的毒性以及死亡率相关，且不影响完全缓解数据，2017年，gemtuzumab ozogamicin获得了FDA的重新批准（EMA 2018年批准）。新批准的降低剂量见表1。具体来说，FDA重新批准gemtuzumab ozogamicin作为单药以及与daunorubicin和cytarabine联合，用于治疗新确诊的CD33阳性急性髓系白血病成人患者，以及复发或难治性CD33阳性急性髓系白血病患者。
Polatuzumab vedotin-piiq
Polatuzumab vedotin-piiq由“人源化CD79b单抗”通过一种蛋白酶可切连接头与“抗有丝分裂的MMAE”偶联而成。今年6月，FDA加速批准Polatuzumab vedotin-piiq联合化疗药物bendamustine以及利妥昔单抗，用于治疗先前已接受过两种疗法治疗的复发或难治性弥漫性大B细胞淋巴瘤（最常见的非霍奇金淋巴瘤）患者。在此之前，这款ADC曾获FDA突破性疗法认定，以及被EMA授予PRIME认定。目前正在进行的一些临床研究在进一步调查polatuzumab vedotinpiiq治疗非霍奇金淋巴瘤的潜力（NCT03671018、NCT03677141）以及一线治疗弥漫性大B细胞淋巴瘤的潜力（NCT02611323、NCT02600897、NCT02729896等）。
四、在研“明星”
除了已获批上市的5个ADC药物，目前有大量在研ADC处于临床开发阶段，适应症包括各种血液学恶性肿瘤以及实体瘤。表2列举了一些有前景的ADC正在进行的临床试验，以下是部分药物的设计以及进展介绍：
表2 处于临床后期的在研ADC代表
数据来源：柳叶刀
Sacituzumab govitecan(IMMU-132)
Sacituzumab govitecan由“人源化的TACSTD2单抗”与“拓扑异构酶I抑制剂irinotecan的活性代谢物SN-38”经pH敏感性可切碳酸盐连接头偶联而成。每个TACSTD2单抗与平均7.6个SN-38分子偶联。TROP2在许多上皮癌(包括大多数三阴性乳腺癌)中过表达。SN-38可抑制DNA复制，诱导细胞凋亡。已有I期和II期试验证实Sacituzumab govitecan在先前经过大量治疗的转移性三阴性乳腺癌患者中疗效令人鼓舞、耐受性良好。基于这些结果，Sacituzumab govitecan已获突破性疗法认定，目前正在进行认证性的国际随机III期试验(ASCENT, NCT02574455)，预计今年年底，其开发商将递交Sacituzumab govitecan三线治疗转移性三阴性乳腺癌患者的生物制品许可申请（BLA）。目前，评估Sacituzumab govitecan治疗转移性尿路上皮癌（NCT03547973）、转移性去势抵抗性前列腺癌（NCT03725761）、非小细胞肺癌、小细胞肺癌、肝细胞癌、子宫内膜癌等多种癌症的II试验也在进行中。
Enfortumab vedotin(ASG-22ME)
Enfortumab vedotin由“Nectin-4单抗”和“微管干扰剂MMAE”经一种专有的连接头技术偶联而成。Nectin-4在许多实体肿瘤（特别是膀胱癌）中过表达。2018年3月，基于I期试验（NCT02091999）的结果，FDA授予了enfortumab vedotin突破性疗法认定，针对的是先前接受过检查点抑制剂治疗的转移性尿路上皮癌患者。今年7月，enfortumab vedotin的开发商Astellas和Seattle Genetics 宣布他们已向FDA递交该药的BLA；9月enfortumab vedotin的BLA被接受，且获得了优先审评资格。
Mirvetuximab soravtansine(IMGN-853)
Mirvetuximab soravtansine由“FRα单抗”和“干扰微管蛋白的美登素类化合物DM4”经可切二硫连接头偶联而成。FRα在卵巢癌、子宫内膜癌和非小细胞肺癌肿瘤中过表达。目前一项随机III期试验（NCT02631876）正在比较mirvetuximab soravtansine与研究者选择的化疗方案治疗FRα阳性、铂抵抗性卵巢癌患者的安全性和有效性。此外，代号为NCT02606305的试验正在调查mirvetuximab soravtansine联合bevacizumab在铂抵抗晚期上皮卵巢癌、原发性腹膜癌或输卵管癌患者中的应用。
Trastuzumab deruxtecan(DS-8201a，T-DXd)
Trastuzumab deruxtecan是由“人源化HER2抗体”和“新型拓扑异构酶I抑制剂——exatecan衍生物”经基于四肽的可切连接头偶联而成。尽管抗体均是靶向HER2，但T-DXd与已上市的T-DM1作用机制不同，且由于DAR（~8:1）和稳定性很高，以及exatecan衍生物具有很强的膜通透性，因此可产生强大的旁观者效应。T-DXd的I期研究在HER2阳性晚期乳腺癌和胃癌中显示了良好的活性。该药先前已获得FDA授予的快速通道资格和突破性疗法认定。本月，其开发商阿斯利康/第一三共宣布FDA已经接受了T-DXd的BLA，并授予其优先审查资格。T-DXd目前有多个关键试验正在进行中，涉及适应症包括转移性乳腺癌(NCT03734029、NCT03529110、NCT03523585)、晚期胃癌（NCT03329690）、晚期结直肠癌(NCT03384940)、晚期非小细胞肺癌（NCT03505710）等。
五、总结
作为医药领域的研发热点之一，目前全球有超过100个ADC正处于临床开发的不同阶段，正在进行的临床试验达数百项[4]。且据该综述的作者们统计，参考ClinicalTrials.gov和PubMed的数据，较2018年相比，今年与ADC相关的临床试验以及出版物数量均有所增加。
总结来说，科学家们认为，随着技术的进步，ADC不断迭代，靶点、连接头以及毒性载荷的选择都在逐步改善。同时，随着免疫疗法的发展，开发ADC联合治疗的选择也越来越广泛。因此，未来，基于ADC的治疗方案有望被更早地用于特定类型癌症患者的治疗。期待ADC的研发经过近些年的磕磕绊绊，未来能有更多这类药物“开花结果”，为抗癌治疗增添新力量。
相关论文：
[1] Cindy H Chau et al. Antibody–drug conjugates for cancer. The Lancet(2019).
[2] Behrens CR et al. Methods for site-specific drug conjugation to antibodies. mAbs(2014).
[3] Tian F et al. A general approach to site-specific antibody drug conjugates. PNAS(2014).
[4] Convention on Pharmaceutical Ingredients. Annual Industry Report 2018.
参考资料：
1# Astellas and Seattle Genetics Announce Submission of Biologics License Application to FDA for Enfortumab Vedotin for Patients with Locally Advanced or Metastatic Urothelial Cancer
2# Seattle Genetics and Astellas Announce U.S. FDA Grants Priority Review for Enfortumab Vedotin Biologics License Application in Locally Advanced or Metastatic Urothelial Cancer
3# 阿斯利康69亿美元买来的DS-8201申请上市，获得FDA优先审评
4# AbbVie正式放弃开发Rova-T,58亿美元投入打水漂
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