原创 | ADC：药物设计的登月计划

 ADC是现在新药发现一个非常火热的板块，一个主要原因是Enhertu的巨大成功激发了大家“咱差啥”的本能反应。本文谈一谈ADC诞生的背景、设计超越Enhertu产品的挑战为何比原来设想要大很多、以及我认为的未来发展方向。

1. 晚期癌症治疗现状：乱世用重典

癌症一般认为是一个细胞增长失控疾病，但增长失控本身并不致死。良性肿瘤可以长得非常快、非常大但不会威胁患者生命，恶行肿瘤如果发现较早也可以根治。癌症致死最主要的原因是发生转移，但这只是表象。能够发生转移背后的分子机理是肿瘤细胞此时已经修炼完整版的《九阴真经》、积攒了热带雨林植被般的多样化克隆，如同军阀、黑帮割据时代基本刀枪不入了。本世纪之前唯一能延长晚期肿瘤患者寿命的疗法是同样六亲不认的化疗药物，这些药物通常杀伤所有快速分裂的细胞，因此带来血液、胃肠道、和脱发等严重毒性。即使今天，很多非化疗药物也要与化疗联用才能实现疗效最大化。

2. 星辰大海：去化疗

化疗虽然武功足以与高度异质性晚期肿瘤过招，但其毒性是一个巨大负担、尤其对于老弱患者。很多患者死于与肿瘤无关的诱因，多半是因为药物的毒副作用。即使脱发这个并不威胁生命、一定程度上可逆的副作用都可以让约10%的患者放弃化疗，可见阻力之大。把化疗从治疗方案中剔除成了医生和患者仰望的星辰大海。

本世纪初陆续上市的所谓靶向药物成为去化疗运动的第一个尝试，虽然产生了格列卫、EGFR抑制剂这样的优质药物，但是对多数肿瘤来说你只是阻断它一条生存路径很难消灭这个组织。如同一个打家劫舍的黑社会你即使能有效防止它抢劫烧烤摊、它还可以去抢包子铺，所以真正能够比标准疗法延长患者寿命的 靶向药不到20%。

十年前兴起的免疫疗法令人看到一线希望，理论上免疫疗法虽然也是激活或抑制一条单一通路、但你调动的是一支每个士兵都身怀不同绝技的T细胞特种部队，足以应对肿瘤的多样性。遗憾的是免疫疗法开发十分复杂、临床前模型很难模拟复杂精细的人体肿瘤免疫反应，目前除了CAR-T、PD-1等药物显著改善了晚期肿瘤治疗外其它机制还在艰难探索中。

3. 初试化疗靶向递送：纳米制剂

既然靶向药和免疫疗法也无法大规模改善晚期肿瘤的治疗，那么还得想法利用化疗高强的武功，一个退而求其次的策略是让化疗变得更精准。德国科学家欧里希最早提出魔法子弹的设想、即让杀伤性药物选择性杀伤疾病细胞，但实现这个理念并不容易。业界比较早期的一个策略是用所谓的纳米制剂选择性把药物递送到肿瘤组织，现在虽然也上市了十几个纳米制剂、但除了白蛋白紫杉醇没有特别有影响的产品。

纳米制剂利用的是肿瘤组织结构与正常组织的区别、即所谓的EPR效应，这与后来的各种分子水平靶向偶联药物如ADC、PDC、免疫毒素有着本质区分。这个策略自知这个天然缺陷，所以基本都是把裸药就有足够治疗窗口的化疗药物变得更加安全有效、而没有想把一个没有窗口的细胞毒变成可上市药物。

4. 分子水平靶向递送：ADC

纳米制剂的有限成功让人们想能否靶向更精准的肿瘤特异因素，比如肿瘤相关抗原（TAA）。很多肿瘤因为生活方式不同会特异或过度表达一些所谓的TAA，TAA帮助肿瘤无序增长的同时也给肿瘤带来生存隐患、即可能成为药物袭击的目标。把杀伤力超高的化疗与靶向TAA抗体偶联起来做成ADC似乎结合了这两个技术的优点，成为纳米技术之后靶向递送的一个新前沿。早期的ADC因为链接子技术不成熟、抗原选择不够周全失败率较高，比如BR96-阿霉素偶联药物耐受剂量还不如阿霉素自己、靶向递送了个毒副作用。

但当时业界的解读是因为抗体与毒素分子量相差悬殊所以ADC携带毒素必须活性非常高，而阿霉素活性并不是很高、所以ADC失败。活性非常高的毒素通常也治疗窗口比较狭窄，但大家认为抗体能把毒素选择性递送到肿瘤细胞、还要什么窗口？童话故事里一个问题成堆的人遇到能满足他几个愿望的神仙一般结果都不太美满，因为神仙也不能解决你所有问题、更别说ADC了。后来的经验证明即使高表达靶点如HER2也只有1%的药物能被递送到肿瘤，99%的ADC药物还是在其它组织被降解、释放毒素。换言之，TAA并没有让肿瘤成为设计者想象中的药物分布洼地。

辉瑞上市了第一个ADC药物Mylotarg，但因为给药频率没有优化好而毒性太大撤市（后来又重新上市）。罗氏上市了第一个实体瘤、也是第一个ADC重磅药物Kadcyla，但也没有引起业界特别大的热情，以至于后来罗氏自己都说ADC太复杂、不做了。日子不紧不慢地来到2019年，阿斯利康宣布将以69亿美元收购一个叫做DS-8201的新型ADC，一个深刻影响以后几年全球ADC开发和认知的产品就这样进入大众视野。

5. DS-8201的非主流设计

DS-8201是HER2抗体赫赛汀与一个叫做DXd的拓扑异构酶抑制剂通过一个叫做GGFG的四肽链接而成的ADC产品。HER2在肿瘤领域是个地位十分特殊的靶点，很多肿瘤HER2高表达、是其它HER家族成员二聚激活的首选伴侣。虽然是个老牌致癌基因、但因其表达量太高令小分子药物设计十分困难，因为要饱和高浓度HER2蛋白结合腔需要超高活性配体。第一个上市的HER2小分子抑制剂Tykerb疗效一般，葛兰素曾豪赌一个8000人临床ALLTO、结果失败。后来的不可逆抑制剂在一定程度上解决了活性问题，但也带来更多毒性、没有产生太大影响。

抗体因为分子量很大所以活性问题相对容易解决，更重要的是抗体本身是多功能分子、可以通过ADCC等免疫介导效应杀伤肿瘤细胞。第一个上市的赫赛汀成为颠覆乳腺癌治疗的划时代产品，阻断HER2/HER3二聚的Perjeta也成为重磅药物。但继续优化、包括Fc改造则遇到障碍。HER2极高表达对于直接阻断信号通路的小分子抑制剂是个巨大障碍，但对于ADC则是一个巨大优势、因为袭击目标更加明显。Kadcyla是第一个靶向HER2的ADC、也是一个几乎完全依靠靶向递送扩大治疗窗口的ADC，这个我们后面还会讲到。DS-8201要想击败这个前辈显然面临很大挑战，其实到今天为止我们也不是完全清楚8201是怎么取胜的。

一三共开始8201的时候Kadcyla已经上市，肿瘤领域向来武无第二、尤其是上市时间相距如此之远。一三共的科学家选择了一个活性一般但治疗窗口比较宽的DXd作为毒素，DXd虽然本身没有进入过临床研究，但这类药物已经有三个上市药物、十几个进入临床。这一是说明治疗窗口比较容易获得，二是说明此类药物可以自由进出细胞，这两个性质为8201日后的成功奠定了物质基础。活性不足可以通过增加DAR值弥补，但增加DAR值令ADC理化性质恶化、这个缺陷则通过链接子的亲水性弥补。毒素窗口不足则是致命缺陷，别忘了99%以上的毒素不是在肿瘤里释放出来的。

当初设计者口中念的什么咒语外人不得而知，但整个行业听到的似乎是 “芝麻开门”。DS8201做实了ADC可以产生超重磅药物这个无可争议的事实，剩下的只是如何在其它靶点重复8201的奇迹。

6.一个神秘的新型ADC

DS8201在第一个二期临床DB-01对已有HER2药物包括Kadcyla耐药、平均失败6种疗法的HER2高表达乳腺癌患者产生61%应答率、PFS为16.4个月，在类似人群的验证试验DB-02则击败医生选择的标准疗法。与前辈ADC Kadcyla在二线HER2高表达头对头的DB-03试验中，DS8201比Kadcyla多延长22个月的PFS。这是一个相当惊人的表现、令人不仅要问一句凭什么？当时的解读是DXd因为可以自由过膜所以有所谓的旁观者杀伤作用，即HER2阳性肿瘤释放的DXd不仅杀伤自己、还间接杀伤了周围HER2表达不高的肿瘤。而Kadcyla携带的毒素DM1不能过膜，只能杀伤释放这个毒素的HER2高表达肿瘤细胞。Kadcyla没有化疗常见的脱发副作用也说明了更好的特异性，当然代价是对周围无HER2表达肿瘤无能为力。

2019年DS8201批准上市，商品名起为Enhertu。回头看‘en’可能是entire的词头，因为无论HER2水平高低Enhertu都有一定疗效。2021年圣安东尼奥乳腺癌年会报道了Enhertu DAISY试验的部分数据，这个试验招募HER2高、低、和无表达患者。结果发现HER2高表达组应答率为69%、低表达组为33%、无表达组为31%，PFS三组分别为11.1、6.7、和4.2个月。几个月后的ASCO，Enhertu在HER2低表达人群的DB-03试验数据公布，因疗效突出令在场医生全体起立鼓掌。此前罗氏曾努力多年想把赫赛汀、Kadcyla扩展到HER2低表达这个标准疗法较少但人数较多人群，均以失败告终。Enhertu何德何能在HER2无表达人群也有一定疗效呢？

7. 魔法子弹还是魔法炸弹？

一个靶向递送药物却在无靶标肿瘤显示不错疗效，这与设计多少有一些出入。事实上如果在临床前实验中一个药物在无靶标疾病模型有较好疗效一般会被认为是脱靶活性，要当做一个红色警告、一个开发风险。当然如果临床看到意外活性医生和患者会欣然接受。

但是药物设计者如果要在其它靶点重复Enhertu的疗效必须要理解它踩中了哪些要点才有了这个惊人疗效。一个解释是HER2表达量远高于其它TAA，即使低表达、甚至无表达也是有相当受体在肿瘤细胞膜上的，这些受体内吞Enhertu后释放DXd、因为其较强旁观者杀伤会杀伤很多没有HER2表达的肿瘤细胞，类似一颗炸弹。这个理论可以解释DXd的来源，但是无法解释Enhertu的治疗窗口。HER2低表达肿瘤与正常组织HER2表达类似，所以Enhertu走错门进入正常细胞的几率与进入肿瘤细胞类似、这令靶向递送失去了靶向性。当然进入正常细胞也不一定产生毒性，HER2在肾有较高表达但Enhertu并无明显的肾毒性。

另一个解释是Enhertu因为链接子比较稳定，所以本身是个很好的缓释载体。而DXd半衰期比较短，所以Enhertu是个DXd的缓释前药。Enhertu作为一个生物大分子很难进入中枢，但在脑转移患者产生较高响应率、而赫赛汀和Kadcyla对脑转移则效果很差。中枢疗效可能来自血液中的游离DXd，药代动力学研究显示游离DXd血药浓度确实有相当长时间在IC50浓度以上。

还有一个可能是Enhertu的使用剂量5.4 mpk与赫赛汀的6.0 mpk很接近，Enhertu相当于一个靶向加缓释的赫赛汀/DXd固定组分组合，而赫赛汀本来就需要与化疗联用才能真正实现治疗价值（一线通常与紫杉醇类药物联用）。Kadcyla则剂量略低（3.6 mpk），所以这一环节略占下风。高剂量还有一个优势那就是进入肿瘤微环境能力更强，荧光标记实验显示ADC剂量提高2、3倍进入肿瘤药量明显增加，这是靶向递送的基础。如同接力比赛，无论你多想把接力棒特异性地交给队友，你得首先进入接力区。

8.潜伏的毒素释放机制

ADC的设计是通过表达靶标抗原的肿瘤细胞内吞而释放毒素，但实际上只有不到1%的毒素是通过这个途径释放的，其余的99%是在哪里、哪类细胞释放的现在还在研究中。动物实验显示ADC主要存在于血液循环，但血液中自由毒素浓度通常不高。这一方面可能与血细胞代谢释放毒素能力有关，更可能的是毒素一旦进入血液循环就要面临肝、肾等器官的代谢、排泄处理。如果本身半衰期不长就会很快被清除，而在组织里释放的毒素则安全很多。大鼠实验表明ADC主要在肝肾脾等高血流器官富集，而这些器官释放毒素的能力没有特别明显的区别、至于这些器官中的哪类细胞起到了主要的毒素释放功能现在研究不多。

同样，进入肿瘤的ADC也不一定就是完全由肿瘤细胞负责释放毒素，潜伏在TME里的非肿瘤细胞释放机制可能也贡献了一部分肿瘤特异性。比如有些动物模型中CD30 ADC在肿瘤微环境的释放量与肿瘤是否表达CD30关系不大，临床上TROP2、HER3 ADC的应答率也与抗原表达量无明显相关。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）因为承担清道夫任务是一个主要怀疑对象。有研究显示肿瘤微环境里的TAM数量与毒素释放正相关，但如果敲除TAM上的Fc受体则毒素释放能力丧失。

同样如果用单抗饱和抗原会迫使ADC进入肿瘤微环境里的TAM中，但如果同时去除ADC的Fc功能则既无法进入肿瘤细胞（被抗原单抗饱和）、也无法进入TAM（Fc功能丧失），这时肿瘤微环境中几乎没有毒素释放。这些数据说明Fc介导巨噬细胞内吞和毒素释放是ADC在肿瘤微环境释放的一个重要机制，其贡献与微环境中的TAM量直接相关。一个辅助证据是Enhertu间质性肺炎这个难言之隐，目前的研究显示Enhertu被肺巨噬细胞非特异内吞释放DXd是一个可能诱因。充分理解TME中非肿瘤细胞毒素释放机制是设计利用这些机制选择性在肿瘤组织释放毒素的前提，这方面的工作十分重要。

9. A Disguised Chemotherapy (ADC)

归根结底ADC还是一个化疗药物，Enhertu的成功在很大程度上是DXd的成功。DXd虽然没有进入过临床研究，但是其类似物伊利替康与化疗联用在紫杉醇耐药乳腺癌也有50%左右的应答率。伊利替康与赫赛汀联用在二线乳腺癌有33%的应答率，说明这两个机制存在一定协同或叠加疗效。今年ASCO年会上另一个类似物依喜替康与一个非靶向多肽的偶联药物CBX-12也在晚期卵巢癌和乳腺癌产生25%应答率。这些数据说明DXd本身可能就有一定抗癌谱和治疗窗口，而其相对较短的半衰期与ADC的缓释机制匹配也更好。因为一旦组织里释放的DXd进入循环系统就会被很快清除，降低系统毒性。

10.一个全新药物设计时代

药物发现的历史就是一个拿到柠檬继续做各种柠檬汁的历史，而柠檬本身的味道几乎是无法设计的。从阿司匹林、青霉素、到PD-1药物和Enhertu，当初的设计是否合理并不重要、重要的是一个划时代药物出现后如何重复发现类似药物。NSAID、抗生素是成功的例子，而免疫疗法则是一个还在进行的探索。Enhertu的巨大成功说明了抗体偶联药物这个组合模式可以产生超重磅药物，但是如何反复发现这样药物却是一个复杂的工程、尤其是当靶点抗原表达量远不及HER2的时候。新药发现可预测的事情很少，但几乎可以肯定象HER2这样的高质量ADC靶点以后不会再有了。

后HER2时代设计赶超Enhertu疗效的ADC将是一个与登月复杂程度比肩的复杂工程，这里面涉及毒素的活性、抗癌谱、治疗窗口、药代性质的设计与筛选；根据ADC在不同细胞内吞以及胞外释放（非内吞ADC）的链接子释放机制设计；抗原的选择，TAA还是TME抗原、丰度还是特异性作为决定因素；抗体构建和功能，如何有效利用微环境里潜伏毒素释放机制增强肿瘤组织特异释放、削弱健康组织非特异释放这个主要威胁；抗体与毒素的机理协同、剂量匹配，几乎所有的新机理抗癌药物都需要与化疗联用才能最大化疗效、这里面有大量机会；及时借鉴偶联核药、PDC等相似领域的经验等等。

这是一个激动人心的契机，90年代化疗正要大干一场的时候靶向药横空出世、很多工作半途而废。化疗没有完成的事业可以通过ADC延续，ADC反过来会促进全新化疗药物的研发。与晚期肿瘤讲精准医学如对牛弹琴，化疗是它们唯一能听懂的语言。ADC除了靶向递送还有其它辅助化疗功能，是晚期肿瘤治疗最有前途的策略之一。