原创 | 喜树碱老兵新传

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(喜树 图片来源:网络)

引言

喜树碱(Camptothecin, CPT)及其衍生物是最重要的传统抗肿瘤药物家族之一,随着肿瘤药物治疗近几十年来不断的突破与变革,喜树碱类化合物在新兴的肿瘤治疗领域也有巨大的应用前景。

本文围绕喜树碱类衍生物的发现、发展、现状以及在新兴肿瘤领域的应用前景进行简要的论述。

喜树碱的发现

喜树碱是由Wall和Wani在1958年从原产于中国中部的喜树树皮中分离得到的生物碱。随后,它的结构被确认,为五环喹啉母核化合物,由喹啉环AB、吡咯环C、吡啶酮环D和α-羟基内酯环E组成,其中20-位为S构型。

原创 | 喜树碱老兵新传

图1. 喜树碱的结构式


由于喜树碱新颖的结构、体外和体内动物实验中表现出的显著抗肿瘤活性,学术界和制药界掀起了研究喜树碱的第一股热潮。但是很快,研究人员发现了喜树碱水溶性差、内酯环不稳定导致失活以及副作用大等缺点,这些缺点使其研究遇冷。直到1985年,约翰霍普金斯大学的Hsiang等报道了喜树碱的独特作用机制(选择性的抑制DNA拓扑异构酶I),使其再次引起了广泛关注。为了克服喜树碱的缺点,开发高效低毒的喜树碱衍生物成为研究新热点。

经过几十年的发展,喜树碱的研究硕果累累,已有三个喜树碱类化合物被批准上市用于肿瘤治疗。伊立替康,FDA首次批准日期1994年,为结直肠癌一线治疗药物;拓扑替康,FDA首次批准日期1996,卵巢癌;贝洛替康也与2005年在韩国被批准,用于小细胞肺癌的治疗。以上药物被批准后,不断拓展适应症和剂型的研究也取得了一定的成果。

喜树碱类药物受挫

喜树碱的发现一度让药物化学家倍感兴奋,大量的研究投入其中,除了上述提及的三个上市的药物,也诞生了多个进入临床研究的喜树碱衍生物,如鲁比替康(9-硝基喜树碱)、9-氨基喜树碱、脂溶性改造的Silatecan和Cositecan、水溶性改造的Exatecan、Lurtotecan和Belotecan等。其中Exatecan最初由日本第一三共开发,目的是为了弥补伊立替康的空缺(已转让给辉瑞),另一方面伊立替康由于是前药,需要各种酶(主要是UGT1A)来转化为SN-38,这就造成了个体差异比较大,易形成毒性。Exatecan是一个全合成化合物,相比于其它半合成得到化合物开发难度要大得多。经过第一三共的多年努力,成功将Exatecan推进到临床三期用于治疗胰腺癌,然而临床三期的结果显示,其与吉西他滨相比无临床生存获益,且联合也没有获益,更糟糕的是即使在0.4mg/m2剂量下也有中性粒细胞减少的DLT报道,为此第一三共不得不终止Exatecan的临床开发。紧接着,为了克服Exatecan面临的问题,第一三共又开发了一种载体缓释技术,即将Exatecan通过一种四肽(GGFG)连接到可降解的羧甲基葡聚糖上而得到化合物DE-310。该化合物一定程度地降低了Exatecan的瞬间血液暴露量,临床剂量也得到了提升,但最终仍因为未达到预期效果而被终止开发。

纵观喜树碱类化合物研发过程,大多存在几大问题:首先是成药性差,喜树碱的特殊结构导致脂溶性和水溶性都很差,必须进行水溶性改造;其次,喜树碱化合物具有一定毒性,水溶性改造太好也会导致血药浓度的瞬间上升从而引起毒副反应;第三,喜树碱前药改造需要考虑释放效率与稳定性,这在合理前药设计上永远是一对矛盾体。这一系列的问题让喜树碱的新药研究陷入不温不火的境地,急需新的策略来解决喜树碱面临的问题。

药物传递技术给喜树碱带来新希望

药物传递技术一般应用在抗肿瘤药物领域,经过多年的发展,药物传递技术发展为两大类,即被动药物传递和主动药物传递。脂质体就是一种典型的被动药物传递技术,它通过EPR(Enhanced Permeability and Retention effect)效应可以提高抗肿瘤药物的安全性,且能改善药物的溶解性。2015年伊立替康脂质体被FDA批准用于晚期胰腺癌,这对喜树碱类药物面临的困境有很重要的借鉴意义。

抗体偶联药物(Antibody Drug Conjugate,ADC)则是一种高度靶向的主动药物传递技术,是由德国著名的免疫学家保罗·埃尔利希提出的“魔术弹”概念演变而来。ADC的基本结构是将细胞毒类小分子通过linker与抗体连接。众所周知,抗体具有很好的水溶性,且分子量远大于一般的细胞毒类小分子,因此在ADC里面小分子的水溶性相对不那么重要。另一方面,抗体的强大靶向能力使得ADC分子整体能集中分布于靶组织,小分子的毒性反而是起到治疗效果的有利因素。最后,ADC的linker可以人为地进行合理设计,使得药物分子的释放完全符合预期设想。正是ADC的这些特点使得一些成药性或安全性很差的分子有可能成为药物,如ADC药物中常用的奥瑞他汀类、美登素类、PBD类、卡奇霉素类和多卡霉素类。事实上,最早期的ADC选择效应分子都是阿霉素和紫杉醇之类的化合物,但是这些分子实在“不给力”,难以达到预期效果。于是,各种高毒性的分子开始被用于ADC设计,靠着抗体的特异性也能将毒性控制在可接受范围。经过多年的临床探索,成功上市了5个ADC药物,分别是辉瑞的CD22和CD33抗体与卡奇霉素偶联物、罗氏的曲妥珠单抗与DM1偶联物、西雅图的CD30抗体与MMAE偶联物,以及新近获批的特殊ADC——阿斯利康的免疫毒素。

一直以来,普遍观念认为ADC的效应分子必须是高活性的分子,传统药物难以成功,但是喜树碱类化合物在ADC领域的成功打破了这一魔咒,分别是IMMU-132和DS-8201a(图2)。IMMU-132刚爆出分子结构时也遭到无数质疑,靶点分布广泛,linker稳定性差,效应分子SN-38相比于MMAE或DM1活性差得多,这样一个浑身缺点的ADC能成功?事实证明,合理的搭配有可能出奇迹,IMMU-132临床表现结果非常好。根据Immunomedics公司公布的三阴乳腺癌临床二期结果显示,有效率高达30%,69.5%的患者肿瘤都出现了缩小,而三阴乳腺癌临床几乎是“无药可治”。此外,针对多线治疗失败的小细胞肺癌,IMMU-132可以使60%的患者肿瘤缩小;针对化疗、靶向和PD-1治疗都失败的非小细胞肺癌,IMMU-132的控制率高达43%,其它多种上皮细胞癌(食管癌、胃癌、结肠癌等)的临床实验还在进行中。IMMU-132的成功也推翻了以往对于ADC的一些共识,形成独有的技术特点:drug可以不那么毒,linker可以不那么稳定,靶点可以不那么专一。第一三共随后强势推出DS-8201a,该ADC选择之前研发失败的Exatecan作为药物分子,以组织蛋白酶B活化的GGFG四肽作为linker,并引入一小段自裂解结构。不过,有意思的是最后研究表明DS-8201a释放出来的是Exatecan的衍生物Dxd,并且研究发现其不被细胞膜上的“药泵”排出从而可以克服耐药问题。这一系列的新发现让DS-8201a一路高歌猛进,甚至直接挑战经HER2靶点治疗药物(曲妥单抗、帕妥珠单抗以及T-DM1)治疗无效的HER2阳性转移性乳腺癌,对99例这类患者使用DS-8201的客观缓解率为54.5%,疾病控制率为93.9%。在其它Her2阳性的肿瘤(如胃癌、肺癌)治疗上,DS-8201a同样展现出很不错的效果,目前该ADC正进行入三期临床实验,有望快速上市。

IMMU-132与DS-8201a在临床研究中表现的良好效果,表明喜树碱化合物在ADC设计中可能有其独特的优势。有研究表明,抗肿瘤药物在细胞分裂的不同时期起作用最终会有不一样的效果。作用于微管的化合物(如紫杉醇、MMAE、DM1等)是针对M期,因此适合于快速生长的肿瘤,而喜树碱类化合物作用于Top异构酶I,在S期发挥作用,适合于生长缓慢的肿瘤,晚期实体瘤大多属于这一类。IMMU-132和DS-8201的成功模式也许可以广泛地应用到其它曾经失败的喜树碱类化合物的再开发中。

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图2: IMMU-132和DS-8201a结构(图片来源于网络)

PD-1制剂神助攻

PD-1抑制剂是近几年抗肿瘤药物里面的“超级大明星”,如人们常说的K药O药。传统的细胞毒类药物虽然抗肿瘤谱广,但是安全性不足,而抗体类靶向药物大都抗肿瘤谱窄。PD-1抑制剂则打破这一“潜规则”,它通过调动人体免疫系统杀死肿瘤细胞,能针对绝大部分肿瘤起效,它另一大特点是可以与大部分抗肿瘤药物联用,效果也各不相同。第一三共在研究DS-8201a时发现其与K药联用可以发挥“强强联合效应”,基于这一发现第一三共已经宣布和默沙东进行相关临床实验。这一协同作用的根本原因是释放出来的Dxd能刺激免疫系统发挥作用,其它喜树碱化合物同属拓扑异构酶I抑制剂,也可能产生似的效果。

国内喜树碱研究情况

由于喜树碱是从中国特有植物中发现的,我们科学工作者也进行了大量研究。1970年代上海药物所的蔡俊超教授完成了喜树碱全合成工作,后国内相关企业进行了10-羟基喜树碱的开发工作,并成功应用于膀胱癌和胃癌的治疗。除了国内药企对一伊立替康及其脂质体、拓扑替康进行了成功仿制之外,还开展了一些喜树碱类抗肿瘤新药研究,其中包括Firtecan Pegol (PEG-SN38,海正药业)、PEG-伊立替康(天津键凯)、Sinotecan(正大天晴)、Simmitecan(希明替康,海和生物)。其中上海药物研究所研发、海和生物负责临床开发的希明替康在临床前研究中显示对TOP I的抑制作用、TOP I结合动力学、体内外抗肿瘤作用强度均优于同类药物伊立替康和拓扑替康。I期临床结果显示,希明替康在肿瘤病人中具有比同类药物更优的安全性,而且对伊立替康耐药的病人初步显示良好药效。目前正在全国开展针对多种晚期实体瘤的单药及联合治疗(尤其是与免疫调节剂联合)II期临床研究,预计2020年申请NDA

国内很多大学和科研机构开展了喜树碱类化合物的研究,其中作为希明替康的发明人,华东师范大学吕伟教授对喜树碱类药物进行了长期系统地研究,开发了喜树碱类化合物结构多样性工业化全合成,深入进行了结构改造,获得了10pm级别活性的超过喜树碱类化合物,可有效地应用于ADC给药系统。

展望

喜树碱类化合物是临床中应用的唯一的TOP I抑制剂,对临床上生长缓慢的实体瘤有良好的疗效,可以克服微管类药物的不足;另外,喜树碱类药物在临床上对免疫类药物有很好的增效作用。随着药物传递系统和ADC技术的发展,可有效地克服喜树碱类药物的水溶性差、组织分布不足等带来的副作用。今后以高活性喜树碱为ADC的效应分子,开发抗肿瘤新药会有长足的发展。


参考文献

[1] The long story of camptothecin: From traditional medicine to drugs, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 27 (2017) 701–707.

[2] Camptothecins in Cancer Therapy. Humana Press. 2005.

[3] Marc Damelin, Innovations for Next-Generation Antibody-Drug Conjugates,  Antibody-Drug Conjugates, Humana Press, 2018.

[4] https://www.sohu.com/a/148818874_395551.

[5] DS-8201a, a novel HER2-targeting ADC with a novel DNA topoisomerase I inhibitor, demonstrates a promising anti-tumor efficacy with differentiation from T-DM1, 2016.

[6] A HER2-targeting antibody-drug conjugate, trastuzumab deruxtecan (DS-8201a), enhances antitumor immunity in a mouse model, 2018.

[7]  药渡数据

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(喜树 图片来源:网络)

引言

喜树碱(Camptothecin, CPT)及其衍生物是最重要的传统抗肿瘤药物家族之一,随着肿瘤药物治疗近几十年来不断的突破与变革,喜树碱类化合物在新兴的肿瘤治疗领域也有巨大的应用前景。

本文围绕喜树碱类衍生物的发现、发展、现状以及在新兴肿瘤领域的应用前景进行简要的论述。

喜树碱的发现

喜树碱是由Wall和Wani在1958年从原产于中国中部的喜树树皮中分离得到的生物碱。随后,它的结构被确认,为五环喹啉母核化合物,由喹啉环AB、吡咯环C、吡啶酮环D和α-羟基内酯环E组成,其中20-位为S构型。

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图1. 喜树碱的结构式


由于喜树碱新颖的结构、体外和体内动物实验中表现出的显著抗肿瘤活性,学术界和制药界掀起了研究喜树碱的第一股热潮。但是很快,研究人员发现了喜树碱水溶性差、内酯环不稳定导致失活以及副作用大等缺点,这些缺点使其研究遇冷。直到1985年,约翰霍普金斯大学的Hsiang等报道了喜树碱的独特作用机制(选择性的抑制DNA拓扑异构酶I),使其再次引起了广泛关注。为了克服喜树碱的缺点,开发高效低毒的喜树碱衍生物成为研究新热点。

经过几十年的发展,喜树碱的研究硕果累累,已有三个喜树碱类化合物被批准上市用于肿瘤治疗。伊立替康,FDA首次批准日期1994年,为结直肠癌一线治疗药物;拓扑替康,FDA首次批准日期1996,卵巢癌;贝洛替康也与2005年在韩国被批准,用于小细胞肺癌的治疗。以上药物被批准后,不断拓展适应症和剂型的研究也取得了一定的成果。

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纵观喜树碱类化合物研发过程,大多存在几大问题:首先是成药性差,喜树碱的特殊结构导致脂溶性和水溶性都很差,必须进行水溶性改造;其次,喜树碱化合物具有一定毒性,水溶性改造太好也会导致血药浓度的瞬间上升从而引起毒副反应;第三,喜树碱前药改造需要考虑释放效率与稳定性,这在合理前药设计上永远是一对矛盾体。这一系列的问题让喜树碱的新药研究陷入不温不火的境地,急需新的策略来解决喜树碱面临的问题。

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药物传递技术一般应用在抗肿瘤药物领域,经过多年的发展,药物传递技术发展为两大类,即被动药物传递和主动药物传递。脂质体就是一种典型的被动药物传递技术,它通过EPR(Enhanced Permeability and Retention effect)效应可以提高抗肿瘤药物的安全性,且能改善药物的溶解性。2015年伊立替康脂质体被FDA批准用于晚期胰腺癌,这对喜树碱类药物面临的困境有很重要的借鉴意义。

抗体偶联药物(Antibody Drug Conjugate,ADC)则是一种高度靶向的主动药物传递技术,是由德国著名的免疫学家保罗·埃尔利希提出的“魔术弹”概念演变而来。ADC的基本结构是将细胞毒类小分子通过linker与抗体连接。众所周知,抗体具有很好的水溶性,且分子量远大于一般的细胞毒类小分子,因此在ADC里面小分子的水溶性相对不那么重要。另一方面,抗体的强大靶向能力使得ADC分子整体能集中分布于靶组织,小分子的毒性反而是起到治疗效果的有利因素。最后,ADC的linker可以人为地进行合理设计,使得药物分子的释放完全符合预期设想。正是ADC的这些特点使得一些成药性或安全性很差的分子有可能成为药物,如ADC药物中常用的奥瑞他汀类、美登素类、PBD类、卡奇霉素类和多卡霉素类。事实上,最早期的ADC选择效应分子都是阿霉素和紫杉醇之类的化合物,但是这些分子实在“不给力”,难以达到预期效果。于是,各种高毒性的分子开始被用于ADC设计,靠着抗体的特异性也能将毒性控制在可接受范围。经过多年的临床探索,成功上市了5个ADC药物,分别是辉瑞的CD22和CD33抗体与卡奇霉素偶联物、罗氏的曲妥珠单抗与DM1偶联物、西雅图的CD30抗体与MMAE偶联物,以及新近获批的特殊ADC——阿斯利康的免疫毒素。

一直以来,普遍观念认为ADC的效应分子必须是高活性的分子,传统药物难以成功,但是喜树碱类化合物在ADC领域的成功打破了这一魔咒,分别是IMMU-132和DS-8201a(图2)。IMMU-132刚爆出分子结构时也遭到无数质疑,靶点分布广泛,linker稳定性差,效应分子SN-38相比于MMAE或DM1活性差得多,这样一个浑身缺点的ADC能成功?事实证明,合理的搭配有可能出奇迹,IMMU-132临床表现结果非常好。根据Immunomedics公司公布的三阴乳腺癌临床二期结果显示,有效率高达30%,69.5%的患者肿瘤都出现了缩小,而三阴乳腺癌临床几乎是“无药可治”。此外,针对多线治疗失败的小细胞肺癌,IMMU-132可以使60%的患者肿瘤缩小;针对化疗、靶向和PD-1治疗都失败的非小细胞肺癌,IMMU-132的控制率高达43%,其它多种上皮细胞癌(食管癌、胃癌、结肠癌等)的临床实验还在进行中。IMMU-132的成功也推翻了以往对于ADC的一些共识,形成独有的技术特点:drug可以不那么毒,linker可以不那么稳定,靶点可以不那么专一。第一三共随后强势推出DS-8201a,该ADC选择之前研发失败的Exatecan作为药物分子,以组织蛋白酶B活化的GGFG四肽作为linker,并引入一小段自裂解结构。不过,有意思的是最后研究表明DS-8201a释放出来的是Exatecan的衍生物Dxd,并且研究发现其不被细胞膜上的“药泵”排出从而可以克服耐药问题。这一系列的新发现让DS-8201a一路高歌猛进,甚至直接挑战经HER2靶点治疗药物(曲妥单抗、帕妥珠单抗以及T-DM1)治疗无效的HER2阳性转移性乳腺癌,对99例这类患者使用DS-8201的客观缓解率为54.5%,疾病控制率为93.9%。在其它Her2阳性的肿瘤(如胃癌、肺癌)治疗上,DS-8201a同样展现出很不错的效果,目前该ADC正进行入三期临床实验,有望快速上市。

IMMU-132与DS-8201a在临床研究中表现的良好效果,表明喜树碱化合物在ADC设计中可能有其独特的优势。有研究表明,抗肿瘤药物在细胞分裂的不同时期起作用最终会有不一样的效果。作用于微管的化合物(如紫杉醇、MMAE、DM1等)是针对M期,因此适合于快速生长的肿瘤,而喜树碱类化合物作用于Top异构酶I,在S期发挥作用,适合于生长缓慢的肿瘤,晚期实体瘤大多属于这一类。IMMU-132和DS-8201的成功模式也许可以广泛地应用到其它曾经失败的喜树碱类化合物的再开发中。

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图2: IMMU-132和DS-8201a结构(图片来源于网络)

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PD-1抑制剂是近几年抗肿瘤药物里面的“超级大明星”,如人们常说的K药O药。传统的细胞毒类药物虽然抗肿瘤谱广,但是安全性不足,而抗体类靶向药物大都抗肿瘤谱窄。PD-1抑制剂则打破这一“潜规则”,它通过调动人体免疫系统杀死肿瘤细胞,能针对绝大部分肿瘤起效,它另一大特点是可以与大部分抗肿瘤药物联用,效果也各不相同。第一三共在研究DS-8201a时发现其与K药联用可以发挥“强强联合效应”,基于这一发现第一三共已经宣布和默沙东进行相关临床实验。这一协同作用的根本原因是释放出来的Dxd能刺激免疫系统发挥作用,其它喜树碱化合物同属拓扑异构酶I抑制剂,也可能产生似的效果。

国内喜树碱研究情况

由于喜树碱是从中国特有植物中发现的,我们科学工作者也进行了大量研究。1970年代上海药物所的蔡俊超教授完成了喜树碱全合成工作,后国内相关企业进行了10-羟基喜树碱的开发工作,并成功应用于膀胱癌和胃癌的治疗。除了国内药企对一伊立替康及其脂质体、拓扑替康进行了成功仿制之外,还开展了一些喜树碱类抗肿瘤新药研究,其中包括Firtecan Pegol (PEG-SN38,海正药业)、PEG-伊立替康(天津键凯)、Sinotecan(正大天晴)、Simmitecan(希明替康,海和生物)。其中上海药物研究所研发、海和生物负责临床开发的希明替康在临床前研究中显示对TOP I的抑制作用、TOP I结合动力学、体内外抗肿瘤作用强度均优于同类药物伊立替康和拓扑替康。I期临床结果显示,希明替康在肿瘤病人中具有比同类药物更优的安全性,而且对伊立替康耐药的病人初步显示良好药效。目前正在全国开展针对多种晚期实体瘤的单药及联合治疗(尤其是与免疫调节剂联合)II期临床研究,预计2020年申请NDA

国内很多大学和科研机构开展了喜树碱类化合物的研究,其中作为希明替康的发明人,华东师范大学吕伟教授对喜树碱类药物进行了长期系统地研究,开发了喜树碱类化合物结构多样性工业化全合成,深入进行了结构改造,获得了10pm级别活性的超过喜树碱类化合物,可有效地应用于ADC给药系统。

展望

喜树碱类化合物是临床中应用的唯一的TOP I抑制剂,对临床上生长缓慢的实体瘤有良好的疗效,可以克服微管类药物的不足;另外,喜树碱类药物在临床上对免疫类药物有很好的增效作用。随着药物传递系统和ADC技术的发展,可有效地克服喜树碱类药物的水溶性差、组织分布不足等带来的副作用。今后以高活性喜树碱为ADC的效应分子,开发抗肿瘤新药会有长足的发展。


参考文献

[1] The long story of camptothecin: From traditional medicine to drugs, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 27 (2017) 701–707.

[2] Camptothecins in Cancer Therapy. Humana Press. 2005.

[3] Marc Damelin, Innovations for Next-Generation Antibody-Drug Conjugates,  Antibody-Drug Conjugates, Humana Press, 2018.

[4] https://www.sohu.com/a/148818874_395551.

[5] DS-8201a, a novel HER2-targeting ADC with a novel DNA topoisomerase I inhibitor, demonstrates a promising anti-tumor efficacy with differentiation from T-DM1, 2016.

[6] A HER2-targeting antibody-drug conjugate, trastuzumab deruxtecan (DS-8201a), enhances antitumor immunity in a mouse model, 2018.

[7]  药渡数据

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从制药界的视角看今年生物诺奖的争议

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中国唯一获批肺癌适应症的PD-1抑制剂Opdivo终于上市了!

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