深入探讨正常细胞中ADC非靶点依赖性摄取和相关毒性的潜在机制(上篇)
一文盘点常见ADC脱靶毒性有哪些?其发生机制如何?有哪些影响因素?通过哪些优化措施可以加以改善?
表1. ADC中使用的不同类别有效载荷的详细信息和临床研究中通常报告的主要毒性
连接子-药物不稳定性
然而,这些早期ADC往往受到血浆稳定性差的困扰,从而导致循环中有效载荷的脱落(图1)。导致ADC血浆不稳定性的因素包括对血清蛋白酶的敏感性,尤其是基于肽的连接子和自发去偶联,如逆转录酶-Michael马来酰亚胺转移到血浆蛋白上存在的游离巯基上。除安全性问题外,不稳定ADC的疗效也可能降低,因为到达肿瘤的ADC不再完整偶联有效载荷。在某些情况下,引入不可裂解连接子可缓解连接子裂解问题。比较具有可裂解连接子(SPP-DM1和mc-VC-PAB-MMAE)和不可裂解连接子(mcc-DM1和mc-MMAF)类型ADC的结果显示,对于特定靶标(CD22),具有不可裂解连接子的ADC的毒性(肝脏和血液学毒性)降低。同样,与含有可裂解二硫键的美登素类ADC相比,含不可裂解硫醚MCC连接子的ADC,其临床前安全性特征得到改善。采用不可裂解连接子ADC的毒性降低被认为是由于进入体循环的游离细胞毒性有效载荷释放减少。然而,并非所有靶抗原均适用于含不可裂解连接子的ADC的治疗,因为需要将完整的mAb分解代谢才能释放连接药物以发挥抗肿瘤作用。
图1. 正常细胞摄取ADC或游离有效载荷的潜在机制。靶抗原可能在正常细胞上表达,并有助于ADC的靶点依赖性摄取。此外,结合IgG抗体Fc保守区的其他受体,如Fcγ受体(FcγR)、新生儿Fc受体(FcRn) 和C型凝集素受体(CLR)也可能有助于正常细胞中ADC的非靶点依赖性内化/转运。非特异性内吞机制,如巨胞饮或小胞饮也可能导致完整ADC或游离有效载荷内化(由于连接子-药物不稳定或胞外蛋白酶活性在细胞外释放)。游离有效载荷也可能通过其他机制进入正常细胞,如被动扩散(如果具有膜渗透性)、非特异性内吞或特异性转运蛋白(如果膜转运蛋白的底物)介导的摄取。此外,抗原阳性靶细胞还能够通过将有效载荷释放到局部环境中介导毒性,随后被抗原阴性正常细胞(旁观者效应)通过被动扩散、转运蛋白介导的摄取或通过其他非特异性内吞机制摄取。
例如,采用首个特异性位点偶联技术--THIOMAB(未配对半胱氨酸介导的偶联)偶联技术的ADC,其在临床前的耐受性相对优于具有相同有效载荷和非特异性偶联技术的传统ADC。此外,在临床前研究中,由半胱氨酸工程抗体和PBD(使用新型自燃二硫键连接子)组成的ADC显示出改善的安全性特征(降低毒性),且疗效相当,表明其可潜在增加ADC的治疗指数。
中性粒细胞减少症(中性粒细胞计数降低)是ADC的一种重要的非靶点依赖性DLT,由于血浆中可裂解连接子不稳定,导致膜渗透性游离有效载荷提前释放。中性粒细胞减少是许多通过蛋白酶可裂解的缬氨酸-瓜氨酸(VC)连接子与MMAE结合而成的ADC的常见毒性,如Brentuximab vedotin、ASG-5ME、Glembatumumab vedotin、Indusatumab vedotin、Polatuzumab vedotin和PSMA ADC。Zhao等人[2]最近进行的一项体外机制研究表明,基于VC-MMAE的ADC诱导的中性粒细胞减少症是由于释放的有效载荷对骨髓中分化的中性粒细胞的直接细胞毒性作用所致。根据连接子化学,VC连接子预期在溶酶体中发生细胞内半胱氨酸蛋白酶介导的裂解。Zhao等人[2]的研究结果揭示,在骨髓微环境中局部分化的中性粒细胞分泌的丝氨酸蛋白酶有助于VC连接子在细胞外的切割,并释放膜渗透性MMAE导致对骨髓中分化的中性粒细胞的细胞毒性。然而,这项研究的结果提出了另一个问题,即为什么在骨髓细胞外释放的膜渗透性MMAE有效载荷仅对分化的中性粒细胞(髓系细胞)有毒性,而对骨髓中的其他多种敏感细胞类型如造血干/祖细胞、红系和巨核细胞系细胞没有毒性,因而这需要进一步研究论证,特别是使用体内模型比较基于可裂解和不可裂解连接子-MMAE的ADC的血液毒性(特别是分化骨髓细胞的毒性),以明确了解和证实细胞外丝氨酸蛋白酶在中性粒细胞减少症中的作用。
PN的特征为四肢麻木和刺痛,最终可能加重并导致极度疼痛和无力,通常在含膜渗透性MMAE有效载荷的ADC重复给药后观察到(与蛋白酶可裂解连接子连接,例如VC连接子),但不表现在含膜不可渗透有效载荷MMAF的ADC中。此外,PN是几乎所有含膜渗透性美登素(DM1和DM4)有效载荷与可裂解连接子结合的ADC的常见不良事件。
1.2旁观者效应
非特异性内吞作用
图2. 宏观和微观内吞过程的关键结构特征示意图。吞噬作用涉及FcγR结合Cdc42(细胞分裂周期蛋白42)和Rac1(Ras相关C3肉毒毒素底物)的局部激活导致肌动蛋白聚合。巨胞饮过程涉及大量液体的摄取,形态学特征为皱褶的巨胞饮小体。小窝内吞作用的特征是通过电子显微镜(EM)可见与胆固醇相关的小窝的尖峰样包被。最明确的微尺度内吞过程包括网格蛋白介导的内吞作用,它涉及形成由网格蛋白三聚体组成的复杂晶格,形成刚毛外观的内体,可通过EM进行形态学鉴定。
大分子的理化性质可能影响其在正常细胞/组织中被内吞的可能性。IgG/ADC表面的分子电荷是共同影响抗体组织分布和PK的许多参数中的一个重要参数。带正电荷的分子被大多数哺乳动物细胞膜以及细胞外基质(硫酸肝素蛋白聚糖)中带负电荷的基团吸引,这种近距离的聚集增加了局部浓度,从而导致正常组织/细胞中更多的非特异性内吞摄取。既往调查性研究表明,IgG抗体净正电荷的增加导致血浆清除率增加,组织分布增加,而净正电荷的减少会导致组织分布减少。重要的是,等电点(pI)变化至少1个单位或以上足以产生可测量的组织分布和PK变化。这些结论也可能适用于ADC,支持ADC电荷可能影响正常细胞非特异性内吞作用的假设。因此,在未来的ADC设计方面,通过减少正电荷或平衡整体表面电荷分布来进行电荷修饰是一种值得考虑的方法。但需要注意的是,与正常组织相似,电荷修饰也可能影响肿瘤细胞疗效相关的靶抗原依赖性ADC摄取。优化ADC表面电荷以减少正常细胞的非靶点依赖性摄取,同时保留肿瘤细胞的靶点介导摄取,可有利改善ADC的治疗指数。
非特异性内吞作用(尤其是巨胞饮)被认为是正常角膜上皮细胞和巨核细胞摄取ADC的途径,分别导致眼毒性和血小板减少症。巨噬细胞介导的角膜上皮细胞摄取的证据主要是由于人原代角膜上皮细胞(体外)对AGS-16C3F (靶向ENPP3抗原,含mc-MMAF连接子-有效载荷的ADC)的细胞毒性降低,其正电荷和/或疏水性降低,并且与EIPA [5-(n -乙基- n -异丙基)-amiloride(巨噬细胞抑制剂)]共同抑制ADC摄取[5]。在这项研究中,作者通过3种不同的机制改变了ADC电荷或疏水性,包括添加聚谷氨酸肽的连接子、某些带电氨基酸的突变改变以及PEG基团与抗体的连接。在角膜上皮细胞中的这些实验结果与电荷修饰(增加净正电荷)改变正常细胞中ADC摄取和毒性的假设基本一致。在产生的9种突变抗体ADC(带负电荷的氨基酸数量增加)中,3种在体外人角膜上皮细胞中显示治疗指数改善[5]。
作者进一步报道了电荷修饰工程化ADC(正电荷减少)在其他一些正常细胞类型(HUVEC和成纤维细胞)中的摄取和毒性较低;然而,在巨核细胞中没有观察到一致的改善,先前报道巨核细胞对相同的非特异性摄取机制敏感[2]。此外,很难将本研究中正常角膜上皮细胞的体外结果与实际体内改善相关联,因为使用的兔模型中的眼部结果显示,在角膜上皮细胞中没有任何病变/缺陷(细胞毒性),正如其他ADC在临床或其他动物模型中所报告的。
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