近日，美國藝術與科學院、美國國家科學院兩院院士Raymond J. Deshaies教授在Nature雜誌發表了題為Multispecific drugs herald a new era of biopharmaceutical innovation的文章[1]，對製藥行業當前的熱點“多特異性藥物（multispecific drug）”進行了介紹。該綜述簡述了現代製藥工業的四次革命性浪潮，重點對帶來第四次革命浪潮的多特異性藥物進行了全面詳實的闡述，並強調了其可能存在的挑戰。
現代製藥工業的四次革命性浪潮
第一次革命性浪潮，即現代製藥工業的起源，可以追溯到20世紀初，以神藥阿司匹林的市場營銷為標誌，這是現代藥物發展史上的一個標誌性事件。該階段藥物研發強調在培養液或生物提取物中尋找對細胞或有機體有預期治療效果的活性物質，並對活性物質的化學成分進行鑑定並製成藥物。此次浪潮啟動了現代製藥工業，產生了一大批造福人類的藥物。然而這種藥物研發方式有其侷限性，即藥物的分子靶點往往是未知的，因此很難優化藥物以增強其療效或耐受性，或預測藥物協同組合。
圖1 現代製藥工業史的四次革命性浪潮，來源於參考文獻[1]
第二次革命性浪潮從20世紀70年代開始，以理性藥物發現方法學取代經典的經驗藥理學為標誌。這種藥物研發方式的核心是一個靶點一個藥（one target one drug，1T1D），即先明確一個靶點，然後針對該靶點進行藥物篩選和設計。1T1D方法的使用，加上高通量篩選和基於結構的藥物設計，已經很好地應用於製藥行業，並催化了數百種小分子和生物藥物的開發。Squibb開發的血管緊張素轉換酶抑制劑——卡託普利便是一個典型案例。
第三次革命性浪潮從20世紀80年代開始，以基於重組蛋白的治療藥物為標誌。重組DNA方法的發明開啟了生物技術產業，1982年，第一個重組人胰島素（humulin）獲得批准；1985年，第一個單克隆抗體muromonab被用作治療試劑。雖然重組蛋白藥物在結構上比小分子複雜，但這兩種藥物的作用機制相似，都與預定的分子靶點結合並調節其功能。
近年來，越來越多的雙特異性藥物（或者更普遍地指多特異性藥物）開始發揮重要作用，現代製藥工業史也隨之出現了第四次藥物革命性浪潮 ，即多特異性藥物的出現。雖然到目前為止，只有四種前瞻性設計開發的多特異性藥物被批准（表1），但這波浪潮正在迅速形成。在安進（Amgen）公司，通過I期臨床試驗的管線藥物中約有三分之二是多特異性藥物。這些前瞻性設計的多特異性藥物的成功開發，讓科學家們重新思考如何設計開發新一代藥物。在本文中，作者將多特異性藥物分為兩大類：一類是能夠在特定作用位點上發揮作用的藥物，另一類是治療藥物與生物效應器相偶聯的藥物。
表1 四種已批准的前瞻性設計開發的多特異性藥物
多特異性藥物
那麼什麼是多特異性藥物，與經典的理性藥物設計有什麼區別？如圖2的左圖所示，理性藥物設計遵循一個靶點一個藥1T1D原則，藥物與靶點直接結合，形成明確的單一藥物靶點結合界面，這種結合通過促進或抑制靶點功能而發揮作用。另外，經典藥物的另外一個特點是它們通常在全身都能發揮作用，不具有組織特異性。
與之不同的是，專性多特異性藥物通過兩個或兩個以上的實體起作用，使藥物活性限制在一個特定的位置，或將靶標錨定到內源性效應器旁邊，讓該效應器對靶標進行調節。專性多特異性藥物的特點主要是形成2個或多個藥物靶點結合界面，如圖2的右圖所示，MZ1與靶標BRD4和內源性效應器泛素連接酶亞基VHL同時結合，將BRD4錨到VHL附近，使VHL對BRD4進行泛素化修飾，然後被蛋白酶體降解。
圖2 多特異性藥物與經典的理性藥物的區別，來源於參考文獻[1]
多特異性藥物的分類
作者將多特異性藥物分為兩大類：一類是在特定作用位點上提高治療效果的藥物，即Tetherbodies（包括SOMs 和COMLs）；另一類是將治療靶點與生物效應器聯繫起來的藥物，即Matchmakers（COMMS）。
SOMs（sequentially binding obligatemultispecific drugs），即順序結合專性多特異性藥物（見圖3a,b），例如常見的抗體偶聯藥物。抗體偶聯藥物將抗體與細胞毒性化合物相偶聯。抗體部分與表達於腫瘤細胞表面的蛋白結合，抗體藥物與抗原的結合使細胞毒性化合物在腫瘤細胞處富集。抗體偶聯藥物隨後進入腫瘤細胞中發揮細胞毒性作用，從而殺死腫瘤細胞。該藥物的錨定過程和殺死細胞過程具有先後順序，因此得名。第一個前瞻性設計和批准的SOMs是抗體偶聯藥物gemtuzumab ozogamicin（商標名Mylotarg，吉妥珠單抗），用於治療急性髓系白血病。該藥物的靶點是核DNA，核DNA被ozogamicin 裂解。而gemtuzumab則與白血病母細胞上表達的CD33結合。
COMLs (concurrently binding obligatemultispecific drugs that mediate localization) ，即介導定位的同時結合專性多特異性藥物（見圖3c）。它是SOMs的一種適度的變體，COMLs的錨定位點和藥物作用靶點定位於同一個部位，並且錨定過程和對靶點的調節過程同時發生，因此得名。COMLs的一個例子是抗體細胞因子融合藥物。細胞因子IL-2可以增強腫瘤的免疫攻擊，但是當它們被系統傳遞時可能會產生副作用，從而限制了它們的使用。一種解決方案是降低IL-2對其受體的親和力，並將其與一種能與腫瘤限制性細胞表面抗原結合的抗體相連接，這樣IL-2只能在其受體集中的區域即腫瘤上富集，從而發揮作用，降低副作用。許多抗體細胞因子融合藥物正在開發中，但目前還沒有藥物進入市場。
圖3 在特定作用位點上提高治療效果的多特異性藥物Tetherbodies（a,b為SOMs，c為COMLs），來源於參考文獻[1]
COMMs （concurrently binding obligatemultispecific drugs that function as matchmakers ），即發揮媒介作用的同時結合專性多特異性藥物。COMMs發揮分子媒介作用，將靶標與效應體相連接，形成一個與效應體結合的界面和另一個與靶標結合的界面，從而拉近效應器與靶標的距離，使效應體作用於靶標。COMMS又可以細分為兩類，一類是基於小分子的COMMs，包括免疫抑制劑和植物激素（如環孢菌素cyclosporin、植物激素auxin、佈雷菲德菌素A brefeldin A）、分子膠水（如沙利度胺）、PROTAC（靶向蛋白水解嵌合體，Proteolysis-targeting chimeric molecules）（圖4）；另一類則是基於生物大分子的COMMs，如雙特異性CD3激動劑BCEs和異源性雙功能IgG（圖5）。
圖4 基於小分子的COMMs，來源於參考文獻[1]
圖5 基於生物大分子的COMMs，來源於參考文獻[1]
多特異性藥物帶來的挑戰
由於多特異性藥物通常與兩個或兩個以上的實體相互作用，因此它們本質上比單一特異性藥物更復雜。這會影響它們的合成、優化、藥代動力學、安全性、生產、臨床開發和商業化，藥物的研發更加複雜化。
一旦產生了候選的多特異性生物藥物，臨床前藥代動力學和安全性評估可能會帶來獨特的挑戰。與單特異性藥物相比，多特異性藥物常常出現蛋白水解、聚集、物理不穩定性和產量低的趨勢。嵌合蛋白常常在動物體內誘發抗藥物抗體，從而危及長期的毒理學研究，而雙特異性抗體可能表現出較差的藥代動力學行為，並通過非標準途徑清除。體內藥效和毒理學研究也可能因缺乏合適的動物模型而受挫。由於激活免疫攻擊的藥物可能導致嚴重的不良事件，因此BCEs的首次人體劑量由最低預期的生物效應水平決定，而不是最高的非嚴重毒性劑量，這可能會延長第一階段臨床試驗的劑量增加。
除了開發方面的挑戰外，多特異性藥物的製造成本可能更高，分發和管理也更困難。多特異性藥物在生產過程中的穩定性可能會發生變化，並會影響細胞培養過程的類型。另外，在工業規模上生產出產量高、質量穩定、雜質可忽略的均勻多特異性分子仍是一個挑戰。
展望
目前我們站在醫藥工業變革的邊緣，可以想象不久的未來，會有大量越來越複雜的多特異性藥物誕生，包括生物的和小分子的多特異性藥物。特別是，多特異性小分子藥物有可能通過招募強大的細胞效應因子來調節包括蛋白質、核酸甚至細胞器在內的多種靶點，從而打開迄今為止不可用藥的細胞內蛋白質組。我們面臨的機會是巨大的，但要發展多特異性藥物，就必須在可接受的安全風險下，提供更好的療效。此外，還要考慮藥物生產的難易程度、藥物的穩定性和給藥的劑量及方便性等問題。由於這些藥物的複雜性增加，這些問題可能會給一些多特異性藥物帶來挑戰。然而，生物製藥行業在過去的一個世紀裡有了長足的進步,並且與生物學、化學、工程學以及計算機科學等學科有了更緊密的聯繫，我們可以期待會有更具潛力和更特異性的分子藥物來治療疾病，造福人類。
參考文獻
[1] Raymond J. Deshaies.Multispecific drugs herald a new era of biopharmaceutical innovation. Nature,2020, 580:329-338. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2168-1
