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[综述文章] 首个PROTAC进入I期临床试验

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发表于 2019-4-8 17:20:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

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Arvinas开发用于治疗前列腺癌的PROTAC分子ARV-110进入I期临床试验。这是公开报道的第一个进入临床试验的PROTAC分子。

                               
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01 背景
Ian Taylor在当地一家报纸上读到一篇关于一家年轻的生物技术公司如何专注于开发靶向蛋白质降解剂的故事,他被迷住了。尽管大多数小分子通过阻断其活性位点来抑制蛋白质的活性,但Arvinas公司正在寻找被称为“PROTAC”的小分子,这些小分子可以利用细胞的降解机制来完全破坏蛋白质。“我想:哇,那真是太棒了。你可以用这个打击不可摧毁的目标蛋白,“当时在辉瑞肿瘤学公司的Ian Taylor回忆道。现在,他正在担任Arvinas生物学高级副总裁,负责这具有挑战性的第一次临床试验。
Arvinas将开始招募患者入组前列腺癌ARV-110的I期试验。ARV-110是一种双功能分子,它使用一只手臂抓住雄激素受体(AR),另一只手臂则抓住E3泛素连接酶。然后使得E3泛素化标记靶蛋白,被标记的靶蛋白将被细胞的蛋白酶体碎掉。今年晚些时候,Arvinas还计划对他们的ARV-471进行乳腺癌试验,这也是一种靶向降解剂,其作用方式与降解雌激素受体(ER)相同。

其它公司也在推荐临床试验,包括诺华公司,该公司有望在今年针对一个尚未公开的靶蛋白,并推进该目标蛋白降解剂进入临床。
默克公司负责Merck&Co目标降解工作的杰森·伊姆里格里奥说:“业内所有人都在等待那些初步试验结果。这可能真正改变人们对这项技术的看法。”
为了反映这一潜力,包括Arvinas、C4 Therapeutics和Kymera Therapeutics在内的众多生物技术公司全心专注于开发降解剂分子。众多大型制药集团也在大力投资拥有这门技术的生物医药公司。
“每个大型制药公司,甚至每个中型生物技术公司都要在这个领域进行合作。”Kymera首席技术官Nello Mainolfi说。
虽然大部分重点是招募E3连接酶的双功能分子——PROTAC,但一些公司也在探索其他降解策略(专栏1)。

“2019至2021年将是这个领域的重要年份。”C4 Therapeutics首席执行官Andrew Phillips说。

专栏1
替代降解的策略除了双功能靶向降解剂之外,其他公司正致力于利用细胞蛋白酶体机制的其它组成部分来实现曾经不可摧毁的目标蛋白的靶向降解。
例如,Cedilla Therapeutics的科学家们采取了这样的方法。“有一些机制可以控制任何给定蛋白质的丰度,并调节这些蛋白质的异常或错误折叠或错误变异的丰度。因此,我们的出发点是,我们不想人为地招募任何东西,我们希望选择内生机制去做它已经做的事情。”CSO Brian Jones解释道。
在某些情况下,这可能意味着找到直接使蛋白质不稳定的小分子,启动蛋白质质量控制机制。在其它方面,他们正在努力识别和调节上游因子的活动。例如翻译后修饰机制、可以控制蛋白质的稳定性或丰度。或者,蛋白-蛋白相互作用和多靶标复合物的破坏可能使化学计量“孤儿”成为可能,从而推动其降解。

“现在我们正在研究这些轴上的一系列不同的目标类型,以便了解最富有的易处理目标蛋白库。然后,我们将根据成功的位置确定优先次序或进行扩展。”CSO Brian Jones说。
“我们公司的首要目标之一是真正尝试定义一些控制蛋白质降解的规则。”Cedilla首席执行官Alexandra Glucksmann补充道。
Mission Therapeutics、Forma Therapeutics和其它地方的研究人员同时专注于去泛素化(DUB)抑制剂。他们的策略不是使用E3连接酶来促进蛋白质的泛素化,而是阻止其它方式去除泛素化并使蛋白质免于破坏。截至2017年9月,至少有15种DUB抑制剂处于临床前开发阶段。


02 研发降解剂

有针对性的降解剂于1999年首次写入专利文献,当时生物技术公司Proteinix的研究人员提交了小分子化合物专利,该专利可以选择泛素机制来降解目标蛋白质。仅仅2年后,耶鲁大学的Craig Crews和加州理工学院的Raymond Deshaies发表了类似的策略,使用基于肽的方法诱导蛋氨酸氨肽酶2 的泛素化和降解。

虽然Proteinix从未继续发展过这项专利,但Crews及其同事不断修补他们的蛋白质降解剂,命名为蛋白水解靶向嵌合体(PROTACs),逐渐从化学应用方向转化为药物形态。到2008年,他们已经放弃了分子中的肽组分,设计了一种完全小分子的降解剂,通过使其与E3连接酶MDM2接近,可以结合并降解AR。2013年,Crews成立了Arvinas公司,将该技术产生的PROTACs分子推进到了临床试验。

大约在同一时间,研究人员正在揭开免疫调节性酰亚胺药物的生物学机制,包括沙利度胺,来那度胺和泊马度胺。在意识到这些参与E3连接酶CRBN后,这些可能也可用作靶向降解剂。2015年,当时在Dana-Farber癌症研究所担任诺华生物医学研究所(NIBR)主席的Jay Bradner向同事们展示了他们可以利用这一发现来推动BET蛋白家族的靶向降解。Bradner及其同事称他们的降解剂为degronimids,并于同年共同创立了C4 Therapeutics。

无论药物猎人称他们的候选PROTACs还是degronimids,主要的靶向降解策略都有点像分子双面胶一样:双功能小分子结合了靶蛋白结合配体,Linker和E3连接酶,使靶蛋白与E3接触,选择性地使靶蛋白泛素化,并诱导其降解。
然而,科学家们并不清楚这种方法是否可以进入临床。研究人员从一开始就担心这些大而软的化合物难以优化成生物可利用的,选择性的,有效的和可耐受的类药物化合物。随着第一批化合物的临床试验开启,黎明就在眼前。

Andrew Phillips说:“这些分子看起来很不寻常,有些甚至可能会说看起来很滑稽。但过去几年的工作表明,它们的药物性质令人惊讶。来自多家公司的机密内部分析表明,这些化合物可以很好地溶解,可以滑入细胞,可以口服,可以抵抗代谢过程,在某些情况下甚至可以穿过血脑屏障。对我来说最大的惊喜是我们仅仅基于化学结构预测新类别分子的化学特性的能力现在并不比5年前好,并且可以说与30年前相比没有更好。”
早期希望靶向降解剂可能提供一种模块化平台:其中任何靶标结合配体可以与现成的接头和E3配对以产生药物。当然这还没有证实。相反,人们越来越认识到在靶标、降解物和E3连接酶之间形成的三元复合物结构的性质是关键的。即使是这种结构中的微小变化也会影响药物的运作方式。在某些情况下,这可以解释混杂的靶蛋白结合弹头在转换为降解剂时如何实现超级选择性。在其他情况下,对降解程序的任何组件进行微小更改可以完全消除降解活动。

“这不是即插即用系统,由于与合成策略相关的原因,化学家喜欢将系统分离到其组成部分。但是,我们在过去的一百年中一次又一次地学到的是,一个系统不仅仅是各个部分的总和。这对降解剂来说非常重要,它们不仅仅是各部分的总和。” Andrew Phillips说。

正如去年评论文章中所述,C4 Therapeutics的策略是优化其化合物以激活泛素系统,而不仅仅是使靶标和连接酶彼此接近。“你必须把事情放在一起,但仅凭这一点显然是不够的,你也必须激活这个过程。确实需要更全面地了解降解剂的工作原理。” Andrew Phillips说。

Mainolfi同样补充说,只关注三元复合物的形成“可能是肤浅的”。在某些情况下,即使是成功的蛋白质泛素化也不能保证靶标被递送到蛋白酶体系统中进行降解,有很多我们不知道,或者至少那里没有透露。“

对于连接酶E3也是如此,其中估计600个E3连接酶在整个身体中具有独特的活性谱和分布模式。Mainolfi说,选择正确的连接酶以招募靶蛋白可以成就或破坏计划。他解释说,如果靶蛋白可以在没有不良事件的情况下被全部破坏,正如人类敲除数据所显示的那样。那么Kymera的团队可能会选择使用无处不在的E3连接酶。但是如果它们需要更宽的治疗窗口,它们可能集中于优先在特定组织类型或癌细胞类型中表达的连接酶。E3连接酶也具有不同的亚细胞分布模式,这提供了在混合物中添加其它选择性层的机会。

到目前为止,只有五到六个E3连接酶已被公开验证用于靶向降解剂,Mainolfi说,但Kymera和其他人正在努力验证其它E3连接酶是否可以添加到他们的工具箱中。

03 测试降解靶蛋白

靶蛋白降解剂的最大理论益处之一是它们能使得不可摧毁的靶蛋白可药性。尽管小分子抑制剂必须阻断催化位点或结合影响蛋白质功能的明确定义的口袋,但目标降解剂理论上可以结合任何角落或裂缝来驱动降解。Andrew Phillips说:“它开辟了人类生物学尚未被药物有效地作为目标的一个子集”。但他也警告说:“这种方法的局限性可能会在噪音中丢失。仍有大量靶蛋白没有配体,如果没有配体,我就无法为你建造降解剂”。他表示,像MYC这样长期吸引人的靶蛋白,尽管有希望,但现在仍然像以往一样难以处理。

“现在我认为业界尚未解决的、最具影响力的问题是:哪些蛋白可设计降解剂?” Mainolfi说。
Bradner乐观地认为,该技术最终会降解大多数靶蛋白。“我的直觉是,大多数蛋白质都可以通过与小分子直接接触或通过分子交联靶蛋白来降解,”他说。“这无疑是一种预感,但我认为这种化学反应可以到达这种效果。“他指出,NIBR的研究人员已经引发了40多个靶蛋白的有针对性的降解,其中许多原本是不可药的。
鉴于该领域的竞争性,公司对于他们正在研究的靶蛋白一直守口如瓶,特别是当涉及到可能最有助于开辟新疾病空间的,以前不可摧毁的蛋白质时。但是通过一些公开披露的降解文献报道(通过验证或已知的可降解靶蛋白),可以发现设计降解剂的一些机会。

Arvinas的两个主要候选降解剂分别对AR和ER起作用,这两者都是临床验证的有已批准药物的靶蛋白。公司首席执行官John Houston指出,这种保守的策略是精心思量出来的,并最终快速推进了项目的进展。Arvinas的创始人考虑从一开始就针对未经验证的靶蛋白测试他们的降解物,但担心如果失败则不清楚目标或技术是否有问题。相比之下,使用经过验证的靶蛋白,就能验证化合物本身是否有问题。“这是我加入Arvinas时继承的想法,我很高兴他们这样做,这些降解AR和ER的PROTAC分子仍然有足够的机会超越现有抑制剂。” Houston说。

例如,针对AR,已批准的药物分子依靠占据驱动的药理学来抑制蛋白活性,因此当它们从体内被清除或被替代蛋白质淹没时它们失去活性。并且大多数患者将获得对AR拮抗剂恩杂鲁胺的抗性,因为癌细胞可以增加其雄激素或AR产生水平或者可以获得AR突变,使得它们不再对治疗产生反应。
ARV-110与许多其它靶向降解剂一样。它充分利用了事件驱动的催化活性,其中每种化合物都能有效地催化多种蛋白质的完全降解。与传统抑制剂的情况相比,Arvinas不需要比靶蛋白更多的药物,可以减少用药剂量。Taylor解释说:”这种较低的剂量对应的是更低的副作用。“

事件驱动的药理学的另一个好处是靶向降解剂即使在它们消失后也能保证持续的活性,只要它能够使细胞重新合成降解的蛋白质。Taylor说:“我们有许多项目的数据,其中PROTAC由于其催化活性,可以破坏细胞试图制造的所有其它蛋白质,这是解决耐药性机制的一部分原因,在某些情况下,这些药物可能因此能够延缓耐药性的上升。

ARV-471也解决了批准的ER靶向药物的其它缺陷。批准的选择性ER降解剂氟维司群,通过使ER更疏水并因此不稳定。另外,它不是口服生物可利用的,具有差的全身暴露性,并且不能完全耗尽靶蛋白。

当这些试验结束时,人们将密切关注对非传统的蛋白降解剂如何被人体吸收,分布,代谢和排泄的见解,以及它们是否能达到口服给药的期望。该领域也热切希望看到这些药物能够将蛋白质水平降低多少,与蛋白质再合成率相比如何,以及这些水平是否与动物模型的预期一致。Bradner补充道:“对靶向降解剂的承诺是将药效学与药代动力学分离,这意味着短暂暴露于降解剂会对通路产生持久影响,所以药代动力学和药效学关系将非常令人兴奋”。
Arvinas的团队特别兴奋,Houston说:“今年,试验结果将告诉我们很多关于我们是否真的已经破解了将这些东西变成具有类药性小分子的事实,以及是否会通过平台的其它部分实现这一目标”。

当这个领域的领导者披露其分子的机密结构时,其它地方的研究人员将热衷于将课程带回自己的计划。Mainolfi说:“我很想知道他们优化的关键参数是什么,以便将他们的临床前分子转化为临床分子,以及他们的化合物是什么样的。老实说,我认为这与我们的分子看起来完全不同,我们希望对前几种化合物的首次临床研究进展顺利”。


04 其它机会

Kymera的靶向蛋白质降解物IRAK4为靶蛋白降解剂提供了另一组近期机会。IRAK4是一种在先天免疫系统中起关键作用的激酶,并且已经涉及各种癌症。但是,虽然小分子抑制剂可以阻断IRAK4的激酶功能,但该蛋白质还具有作为支架蛋白的激酶非依赖性作用,能够组装先天免疫系统的myddosome蛋白复合物。Mainolfi说:“基于遗传敲除和敲除实验,我们推测它将能够获得比抑制剂更独特和更优越的表现”。去年,Kymera在美国血液学会会议上介绍了IRAK4抑制剂的临床前数据,并计划在2020年上半年将该分子推进临床。

类似的原理可以应用于其它支架蛋白,包括一些课题组正在研究的RIP激酶,以及其它非酶促蛋白和转录因子,否则这些蛋白可能难以靶向。

降解中枢神经系统靶蛋白的报道也越来越多。例如,药物开发人员已经开始研究抗体、反义核酸和基于基因疗法的方法来敲除tau和α-突触核蛋白,但考虑到这些方式的大脑穿透能力和管理概况,靶蛋白降解剂倡导者们希望他们的药物将提供更好的解决方案。Arvinas已经开始研究一种能够穿过体内疾病模型血脑屏障的tau靶向降解化合物,该公司乐观地认为他们能够将这种药物的口服或静脉内制剂推进临床。他们还致力于研究α-突触核蛋白靶向降解剂,用于治疗帕金森病。

C4 Therapeutics和Biogen也于1月合作,开发治疗阿尔茨海默病和帕金森病的降解剂,但他们尚未披露靶蛋白。
Mainolfi说:“蛋白降解成药的机会越来越大。我们有机会以寡核苷酸和CRISPR治疗方法尚无法做到的方式实现广泛适用的全身蛋白敲除。我们可以通过小分子的灵活性和可扩展性来实现这一目标。这确实有可能成为药物发现中最大的游戏改变者。”


参考文献
doi: 10.1038/ d41573-019-00043-6


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