PD-1抗体临床药理学介绍——李苏

PD-1抗体临床药理学介绍

 李苏（中山大学附属肿瘤医院）

概要：

一、抗PD-1 /PD-L1抗体的结构相同点

二、抗PD-1各抗体的结构不同点

三、PD-1/PD-L1 抗体PK行为不同

四、PD-1 各抗体PK/PD行为不同

五、PD-1 抗体药效的差异

六、影响PD-1 抗体PK/PD的因素

一、抗PD-1 /PD-L1抗体的结构相同点

PD-1和PD-L1都是IgG的单克隆抗体，都是由两条轻链和两条重链组成。

上半部分称为可变区，跟抗原结合，决定药物的药效。比如Pembrolizumab的活性比Nivolumab强，原因是上半部分的结合率不一样。

下半部分跟体内的半衰期有关，是体内主要清除的片段。

所有的抗体根据糖基化水平的不同，分为1-4种类型。

FDA批准的抗体大多是IgG1的抗体，自从PD-1抗体出现后，就出现了IgG4的抗体。

以前的抗体比如Avastin都是跟肿瘤表面的抗原结合，起到信号传导阻滞作用。另一方面，下半段抗体的糖基化会跟NK细胞或巨噬细胞结合，启动ADCC和CDC作用，把肿瘤细胞杀死。所以每个抗体如果它的ADCC作用强，抗体的活性是更强的。

比如PD-L1抗体只有Avelumab不一样，保留了ADCC和CDC作用。而PD-1抗体，是针对T细胞表面的抗原，我们不希望T细胞被抗体结合的免疫细胞杀死，所以我们不能采用IgG1单克隆抗体，只能采用IgG4单克隆抗体。IgG4抗体无ADCC和CDC作用，很大的缺点是不稳定，必须进行后续的加工修饰。

另外，IgG2和IgG4不容易产生抗抗体，所以在使用时我们发现PD-1抗体的使用剂量比PD-L1抗体的剂量低很多。而PD-L1抗体是IgG1抗体，针对的是表达在肿瘤细胞上的抗原，所以容易产生抗抗体，所以需要更多的剂量来弥补产生的抗抗体。

目前国内外批准的PD-1抗体都是IgG4抗体，而且都进行了后续的加工——S228P的修饰，这些是没有差异的。PD-L1抗体是IgG1单抗具有ADCC和CDC作用，而Atezo和Durva进行了FcƴR段的改良，去掉了ADCC和CDC作用。只有Avelumab保留了ADCC和CDC作用。

所以PD-L1抗体之间是不同的。

PD-1的IgG4抗体S228P修饰：

-通过将高亲和力的小鼠抗人PD-1抗体的可变区序列移植到含有稳定的S228P Fc突变的人IgG4-κ同种型框架上产生帕博利珠单抗。

-帕博利珠单抗在228位用丝氨酸代替脯氨酸，这种突变已被证明能稳定链间二硫键的形成，阻止Fab臂交换。克服了IgG4不稳定性引起免疫治疗临床疗效和毒性的不可预测性。

二、抗PD-1各抗体的结构不同点

抗PD-1各抗体因为氨基酸序列、等电点等等的不同，导致了抗体的特性不同。包括抗体的人源化水平和糖基化水平不同、结合位点和特异性不同等。

比如：我们在很多试验当中可以看到Nivolumab可以和Ipilimumab联合，而其他的没有跟Ipi联用，原因是Nivo不会跟CTLA-4这个靶点联合，所以不会产生跟CTLA-4的交叉反应。

另外，各抗体抑制PD-1和PD-L1的结合不同，从而激活T细胞的EC50值也是不一样的。释放细胞因子的量和类型也是不同的。而且药物体内PK分布也不同，半衰期也不同。

1、PD-1的IgG抗体人源化水平、糖基化水平不同——影响抗体产生。

单克隆抗体都来自于小鼠，所以免疫原性很强。因而可能产生抗抗体，抗抗体把抗体中和掉，同时加快抗体的清除。

另外抗体间的个体差异，也是抗抗体的产生导致的。

所以抗体一般是人源化和全人源化。人源化比全人源化亲和力更强，糖基化水平不一样。

-如果是跟抗原结合部位的糖基化，就会导致药物跟抗原的亲和力降低。

-如果在下半部分糖基化，就会使抗抗体产生的机会增加。

以上表格罗列了各大PD-1和PD-L1药物的抗体类型及抗抗体的产生。

NIVO和Pembro是相似的，都无糖基化修饰和无ADCC作用。特瑞普利在糖基化修饰，抗抗体的产生为15.4%。卡瑞利珠单抗虽然有糖基化修饰，但无ADCC和CDC作用。

PD-L1抗体中只有Avelumab有ADCC作用。所以PD-L1抗体产生抗抗体的机率总体比PD-1抗体更高。

但中和性抗体，也就是把抗体磨灭的抗抗体产生的机率都是低于1%。

2、PD-1各抗体复合晶体结构差异——结合位点、Kd、特异性

下表为PD-抗体的特征汇总，包括：结合区域、结合面积、分子量、Kd值、PD-1占位、释放因子、特异性、抑瘤活性。

• 各PD-抗体的结合位点不同和结合面积不一样。K药和卡瑞利珠的结合面积是比较大的。

• 各PD-抗体的Kd值不一样，虽然相差比较大，但都能有效抑制PD-1和PD-L1的结合。

• 释放因子不同。K药是最多的，所以的活性最强。K药的释放因子跟信迪利的比较接近。特瑞普利跟O药的释放因子比较接近。从体外药效来看，其实K药略强于O药。

具体的结合位点，K药主要是在C’D端，O药主要在碳端，国内三个单抗主要在FG端。

因此，如果药物耐药是结合位点的耐药，比如O药耐药了，可以换国内的PD-1单抗。

不同结合位点的PD-1单抗联合使用，会加强抗体的活性。

不同结合位点的PD抗体，抑制PD-1和PD-L1通路的活性不一样，激活T细胞的活性也不一样。

3、抗PD-1单抗药物的IC50

IC 50值代表的是抑制PD-1和PD-L1的结合，该值越小，说明抑制的活性越强。

从表中的IC 50值看，Pembro和卡瑞利珠接近；特瑞普利跟NIVO接近。

从激活T细胞的活性Pembro是最强的，只需要0.07纳摩尔（nM）就可以激活T细胞，接下来是卡瑞利珠和NIVO，最后是信迪利和特瑞普利。

4、PD-1各抗体释放因子及量不同

• K药主要释放白介素2（IL-2），所有浓度范围内释放浓度是平台期，说明有效的病人和无效的病人细胞因子没有太多的差异，因为它的释放是达到平台期的。

• O药主要释放γ干拢素（IFNγ），也是平台期。

• 卡瑞利珠和特瑞普利释放因子是浓度依赖型的，浓度越高，释放因子越多，一方面活性可能会更强，但是不是毒性也会越强？需要更多的临床观察。

以上为每个药物的分子结构的特性。

三、PD-1/PD-L1抗体PK（体内药代动力学）行为不同

抗体的上半部分与抗原的亲和力，代表活性。下半部分代表药物在体内的清除，在体内的半衰期。

Pembro是三周给药方式，NIVO是两周给药方式。给药时间不同的原因一方面是半衰期不同，另一方面是激活IL-2或激活IFNγ持续的时间不一样，一个是PK指标，一个是PD指标。

对于大分子药物，和小分子药物一样，都是要经过分布到达组织。因此抗体分布到肿瘤组织，激活T细胞后，才能召唤血液中被激活的T细胞聚集在肿瘤细胞起到抗肿瘤作用。

而药物清除方面，大药物跟小分子药物不同，不是经过肾脏排泄，也不是经过肝脏排泄，因为不是CYP酶的底物。

同时需关注抗体的免疫原性，也就是产生抗抗体的能力，这是影响药物清除的重点方面，也影响了药物的疗效和毒性。

5、PD-1抗体类药物PK——分布不同

因抗体药物的分子量达到15万，很难全部分布到组织中去。表观分布容积是7.5升，主要在血液中分布。分布到组织只有5-10%，分布到脑只有1%。而分布到肿瘤组织中的大概占10-30%。

在动物实验中看到：

Pembro主要分布在血液、脾、肝、肾、肺、心骨、皮肤、宫颈，这也是它主要的适应症。分布较少的组织：前列腺、胃、肠、脑、肌肉，所以Pembro很多胃癌的临床实验是失败的。

NIVO主要分布在脾、肝、肾、脊柱、胃、甲状腺，分布较少的组织主要指在第五天时组织分布量会急剧减少，主要组织为：肺、脑、肌肉、心脏。

在人体分布中：

    Atezo主要分布在脾脏、肝脏、肠道。在肺的分布较少，在第三个级别，跟骨头、肌肉分布一样。

    因此Atezo很多晚期临床实验要4药联合才有阳性临床结果。

    组织分布越多的患者，CR率更高。

    CR病人的药物分布大概有22.6 SUV值，分布最多。而PD的病人分布最少，只有6.8 SUV值。

    因此药物分布对于药物的疗效相关性非常大，药物分布更多的肿瘤组织，肿瘤缩小更明显。

    对于药物和临床医生来说，了解药物分布，可以个体化治疗，通过分布去选择药物。例如：以于心脏不好的或者肾脏不好的患者，可以选择相对分布在心脏或肾脏少的药物。

6、IgG类药物清除——半衰期不同

抗体的清除一共有3个途径：

    1、跟抗原的结合：抗体跟抗原结合时，会被免疫细胞清除掉。

    2、溶酶体分解代谢——抗体跟丙球一样，都是IgG，因此代谢跟丙球相似。

    3、抗抗体的产生

    如果药物分子是15万，不是IgG，半衰期只有40分钟。为什么PD-1抗体的半衰期更长，主要原因是有保护抗体循环，即FcRn受体保护循环，是人体进化的关键。

    即在血液中的碱性条件下，抗体或丙球不会跟FcRn受体结合，会呈解离状态，进入细胞的酸性条件后，抗体或丙球会跟FcRn受体结合，从而保护抗体不会被微粒体代谢。继而再到血液中把抗体释放出来。这就是FcRn受体保护循环过程。

    因此抗体药物的半衰期由药物的Fc段和FcRn受体的亲和力决定。亲和力越强，半衰期越长。

    IgG丙球的半衰期是25天，因此丙球为3周给药方式。

    K药的半衰期是21-25天，其他PD1抗体大部分是14-21天的半衰期。因此K药的Fc段是比较接近IgG的。

影响FcRn受体循环的因素：

1、年龄：年龄越大，FcRn受体表达越来越少。

    老年病人不要随意降低剂量，或者随意延长用药间隔，因为药物的半衰期更短，药物的暴露更少。

    因此老年人更要注意足剂量使用。

2、体内IgG水平：体内IgG会跟抗体竞争FcRn受体，导致抗体半衰期缩短。

    因此在药物没有出现疗效或没有达到稳态时，不要补IgG或白蛋白，防止它们竞争FcRn受体，从而使抗体药物的半衰期缩短和药物暴露降低。

    另外，如果药物出现毒性了，除了用激素以外，还可以用补充IgG的方法，加速药物清除。

3、基因多态性。

四、PD-1各抗体PK/PD行为不同

Pembro的最大耐受剂量是10mg/kg，半衰期25天，药效指标是3周，即给一次药可以刺激白介素21天的释放。

100%靶标的抑制率需要10µg/ml的浓度，需要剂量换算有：1mg/kg(2w)，2mg/kg (3w)。

但对于1mg/kg来说抗体半衰期只有14天，超过1mg/kg抗体半衰期有21天，稳态浓度足够有效抑制。

药物清除时间：110天可以达到完全清除。

达稳态时间：5-6个半衰期，大约8周时间。

如果药物耐药后，想合并其它用药，三个月即90天内都可以，因为药物在体内仍然是接近IC50稳态浓度1µg/ml。

另外，脑脊液药物浓度为1µg/ml.

对于固定剂量来说，如果对低体重的患者，可以从低于有效暴露增加到有效暴露。

因此在没有达到稳态之前，或没有出现疗效之前，建议可以使用固定剂量，让所有的病人都能达到有效暴露。

NIVO的I期临床显示：

NIVO最大耐受剂量是10mg/kg。半衰期是14-21天。

3mg/kg 半衰期是13天，大于3mg/kg 半衰期是21天。

药效指标是受体的占位，1mg/kg外周PD-1的占位达到饱和，约70%。

药物的使用间隔是根据半衰期，剂量依据PK/PD模型。

NIVO是剂量依赖型，剂量越高，疗效越好。当剂量大约为240mg时，达到平台期。

因此对于肺癌的或其他难以达到组织的肿瘤患者，需要提高剂量使用，即用2mg/kg是不够，需要用到3mg/kg才能达到有效的浓度。

无论是NIVO还是Pembro，PK参数无瘤种差异，体内对药物的清除随着给药次数的增加而减少，导致药物暴露增加。

对于 CR病人，药物的暴露会增加50%；对于PR的病人，药物的暴露会增加40%。

因此，在取得疗效或达到稳态以后，可以延长相对应的给药间隔。这个是在非小细胞肺癌、肾癌和黑色素瘤里都看到的现象。

下图为所有PD-抗体的药代动力学参数和药效指标汇总。

五、PD-1抗体药效的差异：

• 临床研究显示：免疫相关不良反应整体发生率低于化疗，耐受性良好。

• 免疫联合治疗的irAEs发生时间较早，持续时间长。

六、影响PD-1抗体PK/PD的因素

PD-1抗体药物没有经过体表面积和体重较正的给药，因此个体差异大，大概是70倍左右。

因此抗体类药物的使用都是超剂量，才能使所有的病人达到有效的药物暴露。

个体差异大是由什么造成的？

1、年龄：年龄越大的病人，淋巴循环慢，药物很难浸入组织。 

    因此年龄大的患者需要更多的耐心等待疗效的出现和毒性清除。

2、合并疾病（炎症、局部贫血）破坏内皮细胞——增加药物通透性和分布。

    一旦出现炎症，停止给药是明智选择。

    局部贫血也可以增加药物局部的渗透率，例如跟血管靶向药物联用时，使抗体药物在肿瘤部位的蓄积更多。

    发热、感染使抗体代谢加快。

3、免疫原性：是影响药物清除最主要的方式，跟药物的质量相关。

    如果临床使用时配置后是混浊的或有沉淀的情况，不能使用，主要因为这是抗体间形成了二聚体或三聚体，很容易产生抗抗体。

4、给药间隔越频繁，越容易产生抗抗体。

    因此抗体药物大剂量长间隔给药，也是为了避免产生抗抗体。

5、药物杂质和质量都会影响抗抗体的产生。

抗体类药物的相互作用——小分子化合物

大分子和小分子药物间无直接相互作用，有间接相互作用。

    PD-1抗体会刺激IL-2和IFNγ的升高，这些因子会抑制细胞的CYP3A4酶，这些会导致化疗药物的毒性增加。

抗体与抗体药物之间的联用，会竞争FcRn受体，使某些药物的半衰期缩短，而暴露减少。

小结

PD-1抗体类药物分子结构：

• 一级结构、糖基化，电荷影响药物与PD-1的亲和力

• 不同公司抗体与抗原亲和力、FcRn亲和力均不同，产生不同的PK行为和不同的药效。

• 药物特性、组成、给药方式、疾病特征等可影响抗体产生ADA（抗抗体）。

• 不同的PD-1抗体药物有不同的分布、不同的适应症。

END