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背景 现代生物医药工业发迹于上世纪初，当时药物开发主要依赖于经典的经验药学，通过试验寻找能够在培养液中对细胞或有机体起预期效果的物质，鉴定其化学成分并研制药物。这种药学和化学的结合开创了现代制药工业并催生了数百种药物。然而，未知的药物靶点使得优化药物以增强疗效或耐受性愈发困难。 在随后几十年里，药物分子的发展经历了连续两波变革性创新：20世纪70年代兴起的“理性药物设计”方法论，以及20世纪80年代出现的基于重组蛋白的治疗药物。理性药物设计的理论基础为”one target : one drug” (1T1D)—即确定一个靶点，寻求一个能与该靶点的结合并增强或抑制其功能的分子，如图1。1T1D方法结合高通量筛选技术和基于结构的药物设计，已经很好地应用于制药行业并开发了数百种小分子和生物药物。另一方面，重组DNA方法的发明开启了生物技术产业, 催生了第一个被批准的重组蛋白药物Humulin以及第一个用作治疗试剂的单克隆抗体muromonab。  图1 典型的1T1D生物药物，具有单一药物靶点界面(红色圆圈) 50年来，1T1D方法一直占据药物设计主导地位，重组蛋白药物也成为最畅销药物，但现在制药行业正在发生翻天覆地的变化，多特异性药物崭露头角，造就了新一波浪潮。  图2. 现代制药工业的4波变革性浪潮。第一波：药物分子明确，靶点未知。第二波：药物分子与均靶点明确。第三波：生物药物。第四波：多特异性药物。 2 多特异性药物 多特异性药物可以和多个实体结合，形成多个drug-target界面，根据作用可以将多特异性药物分为两类(1)Tetherbody:使药物在目标部位起作用(2)Matchmaker:使靶标接近人体的内源性效应器，让效应器对该靶标进行调节，如图3。  图3. 多特异性药物分类。图中为第二类，MZ1同时与靶标BRD4和内源性效应器VHL泛素连接酶结合，让VHL能够对BRD4进行泛素化修饰并被蛋白酶体降解。 2.1 Tetherbody Tetherbody将药物限制在目标部位并发挥治疗作用，增强了药物的治疗效用，也减少对靶外细胞和组织的毒性，其包括SOM 和COML两种小类。 SOM (sequentially binding obligate multispecific drug) ，即顺序结合专性多特异性药物，其顺序地与处于不同部位的“dock”和“target”结合。例如常见的抗体偶联药物，其包含一种具有细胞毒性的化合物，该化合物共价连接到一种仅与肿瘤细胞表面蛋白结合的抗体上。抗体偶联药物被抗体锚定至肿瘤细胞与表面蛋白(dock)结合后被肿瘤细胞吞噬，进入肿瘤细胞后毒性化合物对细胞核(target)进行裂解，如图4(a)。此外，siRNA与肝脏细胞糖蛋白受体(dock)对应的配体偶联后，即可靶向肝脏细胞(target)，如图4(b)。由于这类药物依次与dock和target结合，因此得名SOM。 COML (concurrently binding obligate multispecific drugs that mediate localization) ，即同时结合专性多特异性药物。与SOMs不同的是，COML的dock和target位于在同一位置（比如细胞膜），且锚定过程和对靶点的调节过程同时发生。COML的一个例子是抗体-细胞因子药物，细胞因子IL-2可以增强对肿瘤细胞的免疫攻击，但是它对普通细胞也产生作用。一种解决方案是降低IL-2对其受体的亲和力，并将其与一种抗体结合，这种抗体仅可与肿瘤细胞表面抗原结合，因此IL-2被引导至肿瘤细胞表面并与受体结合，如图4(c)。  图4 Tetherbody使药物在目标部位起作用，使结合具有特异性。a,b SOM顺序地与dock和target结合。dock位于目标细胞的表面，target位于目标细胞内部。药物被引导到细胞表面后与dock结合后被细胞吞噬，在细胞质中对target起治疗作用。a 四个细胞毒性分子与抗体偶联药物b siRNA与三个配体偶联药物 c COML同时与dock和target结合。细胞因子被突变降低了与受体的结合亲和力，除非它们被引导至受体附近，否则它不能大量占据受体。 2.2 Matchmaker 虽然Tetherbody能将药物引导至目标部位进而增强药物效用，但药物仍可通过与靶标结合直接增加或减少其功能而获得符合1T1D范式的治疗效果。然而，另一种多特异性药物——concurrently binding obligate multispecific drugs that function as matchmaker (COMM)，可通过内源性的生物机制来实现对靶标的治疗性调控。Matchmaker使生物体内的内源性效应器接近靶标，使原本不能直接调节靶标的效应器起治疗作用，这将助于开发针对目前绝大多数“无法用药”蛋白质的药物。 COMM分为基于小分子的COMM和基于生物大分子的COMM两类。基于小分子的COMM如作为免疫抑制剂的环孢菌素Cyclosporin，其在亲环蛋白与影响T细胞活性的钙调磷酸酶之间形成复合物，使亲环蛋白抑制钙调磷酸酶，进而抑制T细胞的活性与免疫反应。又如抗肿瘤药物来那度胺Lenalidomide在泛素连接酶的CRBN亚基与转录因子IKZF1和IKZF3之间形成复合物，导致转录因子被泛素化并被蛋白酶体降解，进而抑制骨髓瘤浆细胞发育，如图5。  图5 基于小分子的COMM的作用机制 基于大分子的COMM药物不能有效地穿过细胞膜，因此在细胞外和细胞之间起作用，主要将不同细胞或者细胞外分子结合。例如，双特异性抗体BCE，使其一端与T细胞受体的CD3亚基结合，另一端与癌细胞表面抗原结合，进而导致T细胞裂解癌细胞，如图6(a)。另一种大分子COMM药物可以恢复细胞缺失的功能，例如a型血友病患者缺失桥接蛋白酶 FIXa与酶前体FX的凝血因子FVIII，而COMM药物Emicizumab可同时与FIXa与FX结合，因而替代凝血因子FVIII的生物功能，如图6(b)。  图6 基于大分子的COMM药物 a双特异性抗体使生物效应器T细胞与靶标癌细胞接近 b Emicizumab取代a型血友病体内缺失的FVIII 3.多特异性药物的前景与挑战 将药物聚集在作用位点是提高疗效和减少毒性的良好策略，然而用于定位的多特异性药物面临着两大挑战：(1) 仅存在于特定组织和细胞表面的受体相对缺乏，对此，识别其他组织上的特异性受体将极大地扩展Tetherbody的治疗范围 (2) 由于血脑屏障，多特异性抗体无法用于治疗脑疾病。对此，可利用质膜受体(包括胰岛素和转铁蛋白)进行转运。 如今许多连接T细胞和癌细胞的双特异性抗体都处于临床开发阶段，但其面临许多挑战：(1) 患者在免疫治疗初期，由于大量T细胞被激活，可能出现细胞因子释放综合征。临床资料表明，抗细胞因子药物或逐步给药可以减弱这种作用。(2)癌细胞可能被药物遗漏。这可以通过构建“或”门药物来解决，使药物可与富集肿瘤细胞表面的多个抗原结合。只要结合其中任一抗原，便能够杀死癌细胞，如图7。(3) 第三，一些抗原不仅在癌细胞上富集，也存在于正常细胞上，这缩小了治疗范围。对此，可以通过构建“与”门药物来解决。构建一种具有CD3结合域和两个不同的靶结合域的与门药物，这样只有在两个位点都存在的情况下才能杀死癌细胞，如图8。  图7 OR-gate药物。除了CD3结合部分外，还有另外两个结合域，每个域都与肿瘤细胞上的一种独特的抗原紧密结合。药物只需与任何一种肿瘤抗原结合都足以介导T细胞杀死肿瘤细胞。  图8 与门药物。只有药物与两个肿瘤抗原同时稳定结合才能杀死目标肿瘤细胞。 4 总结 尽管过去半个世纪发现催生了大量药物，但大多数药物仍然通过传统机制发挥作用。如今，我们现在处于变革的边缘，未来将有越来越多的多特异性药物，特别是通过诱导内源性效应器来调节包括蛋白质、核酸甚至细胞器在内的多种靶点，从而可针对迄今为止不可用药的靶点进行药物设计。 参考资料 Deshaies, R.J. Multispecific drugs herald a new era of biopharmaceutical innovation. Nature 580, 329–338 (2020). https:///10.1038/s41586-020-2168-1 |
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