聚焦药靶:小分子药的春天,PROTAC的最新研究进展

聚焦药靶:小分子药的春天,PROTAC的最新研究进展
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聚焦药靶:小分子药的春天,PROTAC的最新研究进展
对致病蛋白的降解或干预已经成为目前最有效的疾病治疗策略之一,在此前的文章中,我们依次对PROTAC、分子胶进行了报道。PROTAC即蛋白降解靶向嵌合体,由E3泛素连接酶配体、靶蛋白配体和一个连接两者的Linker三者组成,其可利用细胞自身的泛素-蛋白酶系统(UPS)靶向诱导蛋白质的降解。降解过程大致包括:靶蛋白配体与靶蛋白(POI)结合,E3泛素连接酶配体与细胞内的E3泛素连接酶底物结合区结合,Linker则使靶蛋白与E3泛素连接酶“靠近”,后者利用泛素将靶蛋白标记为缺陷或受损蛋白,之后被标记蛋白由蛋白酶降解清除。
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图片来源:Baylor College of Medicine Blog Network
在过去的20年里,研究人员基于短肽和小分子设计了多种形式的PROTAC。基于短肽的PROTAC主要存在2个问题:首先是活性较低,需达到微摩尔级别;其次是这些基于短肽的PROTAC可能会产生免疫原性,极大地限制了其在临床上的应用。基于小分子的PROTAC与基于短肽的PROTAC相比具有明显的优势,最重要的是,基于小分子的PROTAC更容易被人体吸收,比基于短肽的PROTAC更具有开发成药的潜力,但进入临床试验还有很多关键问题有待解决。首先,由于有些靶蛋白无组织特异性,使PROTAC具有一定脱靶效应,造成一定的毒副作用;其次,有些PROTAC发挥作用的时长不能被精准控制[1]。随着技术的发展,一些新型的PROTAC不断涌现,区别于传统的多肽及小分子形式的PROTACs,在作用靶点类型和E3类型上不断扩大的同时,针对PROTAC的分子量、起效控制方式等问题进行了更进一步的探索[2]。其优势主要包括:

01

提高细胞通透性:CLIPTACs


合适的小分子药物大小控制应在500 Da以下,然而PROTAC两种小分子配体相加后分子量可达1 000 Da甚至更大,因此小分子PROTACs仍然存在细胞膜通透性差的问题,尤其是在其需要通过血脑屏障的情况下。针对此问题,Astex制药开发了基于小分子前体的胞内CLIPTACs系统,该系统中的小分子前体的分子量更小。试验结果显示,CLIPTACs能够在HeLa、A375以及HCT116等3种细胞系中成功诱导BRD4与ERK1/2的降解;相比于传统的PROTAC分子,CLIPTACs不仅在细胞渗透性、溶解度上有明显提升,且不需要对linker进行优化,对不同的目标蛋白降解只需更换蛋白配体部分即可,更加灵活方便[3]

CLIPTAC的技术原理
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图片来源:文献3

02

提高靶向性:光调节PROTAC


在PROTAC中加入操控元件,从而使其可在特定位置或特定时间起效,比如仅在癌症细胞内发挥作用,将有效提升其靶向性并降低潜在毒性。凭借无创性、起效快以及较好的时空精确度等优势,光诱导调控已在生物医学等领域广泛应用。2019年Pan等[4]建立了一种光诱导起效的PROTAC,称之为光敏笼状PROTAC (pc-PROTAC),与BET的结合能力能够降低100倍以上。2020年,哈佛医学院和西奈山医学院研究团队则通过在E3配体Pomalidomide的关键氢键上引入一种光不稳定封闭基团Nitroveratryloxycarbonyl (NOVC)阻断其与的CRBN结合,而在UVA激发下,opto-PROTAC中惰性Pomalidomide能恢复招募CRBN的功能[5]。Deiters等[6]同样采取了修饰E3配体的方式,即在VHL或CRBN E3 配体的关键羟基上引入DEACM基团实现基于UVA的功能调控。
pc-PROTAC的技术原理
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图片来源:文献4

03

提高灵活性:基于融合标签的PROTAC


PROTAC的靶向结合能力很大程度上决定于能够特异性结合目标蛋白的小分子 (多肽) 配体,然而针对新的靶标蛋白的PROTAC的研究就需要重新寻找或者筛选相应配体,严重限制了PROTAC在研究中的灵活性。因此,基于融合标签的PROTACs不断被开发出来。2015年,Crews等[7]将Promega公司研发的HaloTag (HT)技术引入到PROTAC的研究中,建立了HaloPROTAC系统。HaloPROTAC正是将E3小分子配体与氯烷烃结合用于HT融合蛋白的降解。目前,已有多种类型的基于VHL E3配体以及cIAP 配体的HaloPROTAC被广泛用于各种融合HT的目标蛋白的降解[8-10]。与HaloTag工作原理类似,dTAG系统将FKBP12的工程化变体 (FKBP12F36V) 作为融合标签,该突变体会在蛋白中产生野生型不具备的“空穴”,从而适合作为配体被特异性识别。Bradner等[11]将IMiD与FKBP12F36V小分子配体如AP1867相连成功诱导了FKBP12F36V标签融合蛋白的降解,而且最重要的是其对内源性的FKBP12未产生任何影响。

HaloPROTAC的技术原理
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图片来源:Creative Biolabs
 
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一、PROTAC 的最新研究进展

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截止2021年11月,全球约十余种PROTAC进入临床开发阶段,处于临床前的项目还有110个左右。其中,Arvinas公司的ARV-110、ARV-471和C4Therapeutics公司的CFT7455共三种药物已进入临床Ⅱ期,为目前临床进展最快的PROTAC药物。在整个开发领域,一些研发初创公司已获得罗氏、赛诺菲、默沙东(MSD)、辉瑞、吉利德等全球大型药企的关注,并就蛋白降解疗法开展合作;同时,国内企业也积极参与开发,包括百济神州、开拓药业、海思科、诺诚健华、亚盛医药、恒瑞等均有布局,呈现蓬勃发展的态势。

全球处于临床状态的PROTAC药物
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最开始的PROTAC技术是以多肽为配体,成功靶向MetAP-2、雄性激素受体(AR)、雌性激素受体α(Erα)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)等靶点;再后来,CRL4CRBN、CRL2VHL、cIAP等E3泛素连接酶小分子配体的发现,为PROTAC技术的发展提供了新方向。现今,PROTAC在肿瘤领域的研究主要集中于一些核受体、表观遗传蛋白、激酶、其他类型的蛋白质/酶、以及RNA等等。下图为全球目前在PROTAC领域的热门靶点。

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在适应症上,除多数集中在治疗肿瘤外,少数还用于药理探针、神经退行性疾病、自身免疫性疾病、脱发、慢性阻塞性肺疾病、哮喘等疾病。

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二、重点药物介绍

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01

Arvinas:ARV-471



Arvinas开发的蛋白降解技术主要用于肿瘤和神经系统类疾病的治疗,目前进展最快的ARV-110和ARV-471都处在II期临床试验,分别用于前列腺癌和乳腺癌的治疗。2021年7月22日,辉瑞与Arvinas达成协议,共同开发并商业化ER降解剂ARV-471。根据协议,辉瑞将向 Arvinas支付6.5亿美元的预付款,以及3.5亿美元的股权投资,获得7%的股份。除了在全球范围内分享ARV-471的利润外,Arvinas还有资格获得高达4亿美元的批准里程碑和高达10亿美元的商业里程碑。除此以外,Arvinas还与默沙东、基因泰克、拜耳等制药巨头建立了合作关系。ARV-471作为Arvinas的一款潜在best-in-class靶向雌激素受体(ER)的蛋白降解剂,目前正在进行II期剂量扩展临床试验,用于治疗ER阳性/人表皮生长因子受体2(HER2)阴性(ER+/HER2-)的局部晚期或转移性乳腺癌患者。一项针对平均接受过5种既往治疗的ER阳性、HER2阴性乳腺癌患者的I期临床研究中期分析结果表明,ARV-471能够显著降低患者肿瘤组织中的ER表达水平,平均将ER水平降低62%,最多降低接近90%。14例可评估的患者中,1例患者达到确认的部分缓解,肿瘤病灶缩小51%。两例患者达到未确认的部分缓解,还有1例患者疾病稳定并且病灶缩小50%以上。

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图片来源:Arvinas官网

02

C4 Therapeutics:CFT7455



C4 Therapeutics布局的靶点主要是跟肿瘤相关的,比如IKZF1/3、BRD9、EGFR、BRAF-V600E和RET等。2019年1月,与百健和罗氏分别达成4.15亿美元和9亿美元的合作协议。CFT7455是一种靶向IKZF1/3的MonoDAC降解剂,可作为多发性骨髓瘤患者的潜在治疗方案。2021年6月,一项1/2期试验启动,旨在评估CFT7455对多发性骨髓瘤患者的安全性、耐受性和抗肿瘤活性。在该试验的1期研究中,当CFT7455在无性大细胞淋巴瘤(ALCL)的KiJK细胞系中给药6小时后,IKZF1蛋白水平降低了89%。此外,人们发现CFT7455在具有MYC、BCL2和BCL6易位或重排的非霍奇金淋巴瘤细胞系中具有很强的抗增殖活性。在非霍奇金淋巴瘤的异种移植模型中,与现有的免疫调节药物相比,CFT7455在体内具有强大疗效,其中包括ALCL、弥漫大B细胞淋巴瘤(DLBCL)和套细胞淋巴瘤(MCL)模型中持久的肿瘤消退。

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图片来源:C4 Therapeutics官网
 

03

Nurix Therapeutics:NX-2127



Nurix专注于开发可供口服的降解剂,布局的靶点有BTK、CBL-B等。2019年6月和2020年1月,分别与吉利德和赛诺菲达成战略协议。NX-2127是一种口服生物利用的BTK降解剂,具有免疫调节药物(IMiD)活性,用于治疗复发性或难治性B细胞恶性肿瘤。2021年10月,Nurix Therapeutics公司公布了NX-2127的早期1期临床数据,在这项1a/1b期临床试验中,总计6名B细胞血液恶性肿瘤患者接受了剂量为100 mg或200 mg的NX-2127的治疗。这些患者均接受过BTK靶向抑制剂的治疗,疾病复发或出现进展。试验结果显示,不论患者初始BTK水平如何,NX-2127均显著降低外周血中的BTK水平。在100 mg剂量BTK降低幅度超过80%,在200 mg剂量BTK降低幅度超过90%。临床前研究显示,这种水平的BTK降解与抗肿瘤活性相关。比如在临床前淋巴瘤动物模型中,外周血BTK降解达到80%与肿瘤生长抑制74%相关,而BTK降解达到90%与肿瘤生长抑制100%相关。安全性方面,NX-2127没有导致患者死亡或治疗相关的严重不良事件,在目前的剂量未发现剂量限制性毒性。

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图片来源:Nurix Therapeutics官网
 

04

Kymera Therapeutics:KT-474



Kymera Therapeutics的合作伙伴主要是赛诺菲和葛兰素史克等。到2021年,将有三款进入临床阶段的蛋白降解剂,分别靶向IRAK4、STAT3、以及BTK三种不同的靶点。与Arvinas的研发策略不同,这三款疗法针对的都是血液癌症。2021年10月,Kymera Therapeutics宣布了IRAK4降解剂KT-474相关的积极数据,包括新的安全性,药代动力学和药学数据。数据显示在外周血单核细胞 (PBMC) 中,IRAK4显着的、剂量依赖性的减少可维持长达6天,导致前三天给药剂量的48小时内,IRAK4较基线平均降低93-96%。 流式细胞术显示,KT-474对淋巴细胞和单核细胞IRAK4水平的影响相似。此外,KT-474被证明具有广泛的抗炎作用,在全血中广泛和有效地抑制体外细胞因子,高达79-97%地抑制R848或LPS诱导的8种不同的促炎细胞因子。当KT-474暴露在PBMC中降解≥85%时,细胞因子作用最大 。 

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图片来源:Kymera Therapeutics官网

05

百济神州:BGB-16673



作为国内研发投入最大的公司,2021年10月,CDE最新公示显示,百济神州递交了BGB-16673薄膜包衣片的临床试验申请,并获得受理。公开资料显示,BGB-16673是一款靶向BTK的蛋白降解剂。临床前模型显示,BGB-16673能克服C481S耐药,有望突破患者对泽布替尼和其他BTK抑制剂耐药性的问题。同时,该产品具有良好的药理学特性、生物利用度,以及高选择性、有效性和较长的半衰期。在动物实验中,BGB-16673耐受性良好。

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图片来源:百济官网

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三、国内PROTAC领域企业的情况

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参考文献

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