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      單克隆抗體藥物的藥代動力學和生物分析
      2020.07.22來源:醫藥魔方

        生物技術藥物的興起始于1982年,FDA當年批準了第一個基因重組藥物Humulin(重組人胰島素)上市。這是生物技術藥物發展的元年,是藥物獲取手段從化學合成或者中藥提取走向通過生物技術手段獲得的標志性事件。1986年,第一個治療性單克隆抗體藥物Orthoclone OKT3獲批上市,拉開了單克隆抗體藥物發展的序幕。隨后,從1997年嵌合型抗體美羅華出現,到2002年實現全人源化的修美樂獲批上市,以及接下來不到20年的時間里,ADC、雙特異性抗體、單域抗體等相繼獲批,眾多新的治療策略從科學概念逐步走向臨床。目前,美國FDA累計批準上市了94個單抗類藥物(截止至2020年7月14日),幾乎占據生物技術藥物的半壁江山。

        不同于小分子化學藥物,單抗藥物是基于疾病相關靶點及其信號通路進行設計??赏ㄟ^非共價作用與靶點發生可逆的、高親和性的結合,引起阻斷或激活作用進而調控下游生物學效應而產生藥效或/和副作用。相比小分子藥物,單抗具有靶點選擇性高、特異性強、臨床療效確切等特點,適應癥涉及腫瘤、免疫系統相關疾病、神經系統相關疾病、眼科疾病、罕見病等。在單抗藥物的開發過程中,了解單抗靶點介導的藥代動力學特點,獲得體內靶點及藥物濃度水平,對于深入理解藥物與靶點相互作用對PD指標或/和臨床終點的影響、評價潛在的生物標志物、闡明量效關系、探究PK/PD相關性等意義非凡。本文將從靶點的類型、單抗的藥代動力學特點、單抗藥代的影響因素及單抗的生物分析幾個方面進行闡述。

        一、靶點類型

        生物靶點為能夠與藥物分子結合并產生藥理效應的生物大分子。這些靶點存在于機體靶器官細胞膜上或體液內,主要有受體、配體、酶、離子通道和核酸。

        受體多為糖蛋白,一般至少包括兩個功能區域,即與配體結合的區域和產生效應的區域。受體通過識別和選擇性結合配體(Ligand)(信號分子),改變構象而產生活性,啟動一系列過程,最終表現為生物學效應。受體有細胞膜受體如離子通道偶聯受體、G-蛋白偶聯受體;細胞內受體如細胞漿受體和細胞核受體。配體是能與受體產生特異性結合的生物活性分子,包括體內的生物活性物質(如激素、神經遞質、細胞因子、信息分子)以及外源性的生物活性物質如藥物。

        靶點的分布和調控關乎治療的精準性和療效。許多配體和受體都參與了細胞的生長增殖,在某個生理部位或者疾病狀態下靶點表達會發生變化,因此藥物可以通過選擇性地與受體結合,發揮激活或者阻斷受體活性而達到治療目的。單抗與靶點結合引起下游信號通路的變化和/或介導抗體依賴性細胞毒(ADCC)效應和補體依賴細胞毒作用(CDC)等效應功能。單抗藥物能否發揮作用與靶點的類型有關,若受體表達在實體瘤上,藥物發揮作用會受諸多因素影響,如由血管內皮至組織的滲透率、循環時間、內皮的通透性、靜水壓、內皮細胞上靶點的表達等等;而靶向可溶性靶點可以避免這個問題,但也面臨其它挑戰,如阻斷該靶點是否影響正常生理功能或者產生毒副作用等。因此了解靶點的類型及特點,有助于我們更直觀地理解靶點與藥物相互作用方式,以及深刻認識靶點對藥物的處置特性。

        根據靶點存在的位置,可將其分為膜靶點(Membrane-bound target)和可溶性靶點(Soluble ligand),如圖1所示,下面將對其特點進行介紹。

      圖1 單抗藥物靶點的類型[Expert Opin. Drug Metab. Toxicol, 2012]

        1 膜靶點

        膜靶點即細胞表面的受體,存在于細胞膜表面,能與配體特異性結合產生生物學效應,如EGFR、HER2、PD-1、PDL-1和CTLA-4等。細胞膜表面的受體(簡稱膜受體)會根據細胞的功能狀態發生變化以維持受體的動態平衡。膜受體會通過循環或降解途徑持續內化。受體的內化是指受體蛋白通過質膜凹陷從而脫離細胞膜進入細胞質的過程,內化后受體失活,信號轉導過程可能中斷,也可能會進一步調控下游效應器。有些藥物可以下調細胞表面的受體,通過降低受體的作用而增加療效。持續給藥可能會降低細胞表面靶點的凈數量,從而影響療效。如果藥物的作用機制是ADCC或者CDC時,則希望抗原抗體復合物的內化作用較弱,以最大程度地招募免疫效應細胞或者補體而發揮作用。

        膜結合蛋白的細胞外結構域(Extracellular domains,ECD)會脫落進入循環系統即為可脫落靶點。同時以膜結合和可溶性兩種形式在體內存在的靶點如:CD20、CD25、CD52、EGFR、HER2以及CTLA4。在一些腫瘤和炎癥疾病中可觀察到脫落受體水平的提高,并且會受到給藥等因素的影響。循環中脫落靶點水平的升高會與疾病進程息息相關,如HER2。同時,膜靶點的受體占位(Receptor occupancy, RO)也會受到可脫落靶點水平的影響。脫落的受體可能會因為占據了藥物的結合位點,使藥物與膜靶點結合的可能性降低,從而降低藥物的療效。還有些受體會分泌調節不表達該受體的細胞的相關功能,如IL-6和可溶性IL6-Rα復合物會通過信號轉導的作用機制,與β-受體gp130結合刺激不表達IL6-Rα的細胞。通常,可溶性靶點和可脫落靶點不會作為直接的靶點募集的生物標志物,某些情況下會用來預測疾病。通過檢測循環系統中的受體水平有助于我們了解疾病的表現及其發展進程。此外,不同的人細胞膜脫落靶點的程度也各不相同。

        2 可溶性靶點

        可溶性配體可以通過與循環系統中的藥物結合發揮作用。通常情況下,循環中的可溶性靶點或者可脫落靶點含量非常低,含量從pg/mL到ng/mL??扇苄园悬c會通過快速更新(包括:快速清除,快速產生)維持體內較低的基線水平??扇苄园悬c的表達水平與疾病密切相關??偘悬c水平會在疾病狀態下上調;給藥后,由于與藥物結合,清除率降低,也會提高靶點水平。常見的可溶性配體如TNFα(也存在膜結合形式)、VEGF、BLyS、IL-1β、IL-12/IL-23、RANKL、IgE、IL-6(也存在膜結合形式)等。

        二、單抗的藥代動力學特點

        單克隆抗體藥物是由抗原結合域(Fab)和可結晶區域(Fc)組成。Fab段由輕鏈和部分重鏈構成,主要特異性識別相關抗原,進而調控下游信號通路;Fc段則由剩余的重鏈部分構成,可識別并結合表達Fc受體的免疫細胞(如自然殺傷細胞、巨噬細胞和中性粒細胞) 以及補體,以激活相應的免疫應答,介導抗體依賴性細胞毒作用(ADCC)、抗體依賴的細胞吞噬作用(ADCP)以及補體依賴細胞毒作用(CDC)等效應(如圖2所示)。

      圖2 單抗的結構特點[Protn & Cell, 2018]

        目前獲批的單抗主要都是IgG亞型,IgG每條鏈包含恒定區(Constant region,C區)和可變區(Variable region,V區)。恒定區為靠近C端氨基酸序列相對恒定的結構域;可變區為輕鏈和重鏈靠近N端的氨基酸序列變化較大的結構域,可變區決定抗體的抗原特異性。VH和VL各有3個氨基酸組成和排列順序高度可變的區域,這些區域稱為高變區(Hypervariable region,HVR),該區域形成的與抗原表位互補的空間構象,被稱為互補決定區(Complementary determining region,CDR),與可變區的其它部分相比,CDR序列可變性更高。

        藥代動力學在小分子藥物研發中起了極其關鍵的作用,單抗由于其分子質量較大(達150 kDa),具有親水性、可變的溶解度、膜通透性較差等理化特性,使其呈現出不同于小分子藥物的獨特的藥代特征,如:口服吸收差、皮下/肌肉注射時的淋巴轉運、有限的腎排泄、FcγR/FcRn受體介導的體內循環、靶點介導的藥物處置等。下面將介紹單抗的吸收、分布、消除以及藥代動力學模型。

        1 吸收

        單抗分子量大、極性較強、具有較低的分配系數和擴散性能、使其不易為親脂性生物膜攝取,故很難通過胃腸道進行吸收。同時,存在于胃腸道大量的酶會對藥物產生降解作用。胃腸粘膜的低通透性和高酶活性這兩方面的屏障作用使其生物利用度十分有限(小于1%-2%),絕大多數口服后不能產生足夠的藥效濃度。因此,單抗的給藥方式通常采用靜脈注射給藥方式、皮下或肌肉注射給藥。皮下或肌肉注射給藥生物利用度較高,一般在52%-80%范圍。

        通常,分子量<16 kDa的藥物可通過毛細血管進入體循環系統,而目前認為皮下或肌肉注射的分子量較大的單抗,主要是在淋巴系統中以對流轉運的方式進行吸收(如圖3所示),極少部分通過新生兒受體(the Neonatal Fc receptor,FcRn)吸收。淋巴系統具多孔性,孔道的截留分子量是單抗分子量的100倍,使得相對分子質量較大的單抗能夠在細胞間液對流作用下進行轉運吸收。在淋巴系統中,單抗可被單向運輸至靜脈系統。正常生理情況下,淋巴流動速度較慢(15 mL/天),使得皮下注射給藥需要長至數小時甚至數天時間才能被吸收,mAb的達峰時間為1.7-13.5 d,大多是6-8 d達到峰濃度。許多因素都會影響皮下注射時單抗的吸收過程,如注射部位,藥物因素如電荷、分子大小、糖基化、制劑類型以及給藥劑量等;還與人的體重、性別、年齡、活動水平、疾病狀態、呼吸速率以及血壓息息相關;種屬間淋巴組成的差異還會使藥物的吸收存在種屬差異。

      圖3 單抗通過淋巴系統轉運[Aging, 2019]

        2 分布

        對于傳統小分子藥物而言,為了明確可能的毒性代謝產物在組織內的積累,研究藥物在全身的分布必不可少。但是,對于單抗藥物,其分解代謝的產物為氨基酸,可在內源性氨基酸庫中循環再利用,因此,單抗的分布研究主要是用來評價藥物對特異組織的靶向作用,以及鑒別主要的消除器官。

        單抗的分布依賴于組織內的滲透率和在組織間隙的分布能力、在細胞表面受體的結合水平、以及從組織清除(包括細胞內攝取和降解)的能力。單抗的滲透(extravasation)主要通過三個過程:被動擴散、對流轉運和上皮細胞的胞吞作用。靶點和藥物的親和力常數約為1 nM,而一般單抗血藥濃度超過10 nM可以起效。主要受限于單抗的理化特性和分子大小,導致其難以通過擴散的方式分布進入組織。單抗通過被動擴散跨過細胞膜的比例較小,而主要是通過細胞旁路轉運或者跨細胞轉運分布到外周組織。對流轉運是在血液-組織靜水壓梯度驅動下,藥物通過血管內皮細胞之間的空隙進入組織間隙或者經由淋巴系統從間質間隙轉運至血液。對流屬于細胞旁路途徑,被認為是單抗由血液轉運至組織的主要方式,由從血管到組織的體液流量決定??缂毎D運途徑主要是通過胞吞作用實現的。胞吞作用包括受體介導的內攝作用(如Fcγ受體、FcRn)以及非受體介導的吞噬作用和胞飲作用。由Fc受體介導通過血管上皮細胞的胞吞作用,可能是單抗另一種重要的轉運途徑。尤其在組織中,通過對流作用跨膜受限時,該途徑尤為重要。許多研究表明,該途徑具有雙向轉運特性,如進入內皮細胞的抗體在FcRn的作用下,既可以被轉運到組織間隙,也可以被重新轉運回血管中。單抗的組織分布如圖4所示。

      圖4 單抗的組織分布[Journal of Pharmaceutical Sciences, 2004]。a. 通過胞飲攝取進入細胞或者通過FcRn介導回到血液或者轉運至組織間隙;b. 藥物通過在血管內皮細胞旁路的對流轉運進入組織間隙,然后通過淋巴液的對流轉運從組織中消除;c. 與靶點抗原結合。

        在組織間隙和細胞表面,單抗可依靠對流與靶點結合進行分布??梢?,靶點在血中的單抗,其組織分布會受到限制。單抗從組織間隙清除依賴于單抗進入淋巴的對流速率。這個過程與從血管至組織間隙的過程一樣,依賴于梯度差、液體流速(淋巴流速)等。由于淋巴具有相對大的孔徑,單抗從組織間隙到淋巴的過程比從血液滲透至組織間隙時遇到的阻力要小。通常,組織間隙中未結合的單抗濃度低于血中濃度。

        藥物在組織中的分布常用表觀分布容積(Vss)來表示。Vss為體內藥物總量平衡后,按血藥濃度計算所需體液總體積,是通過穩態時體內藥物總量與血藥濃度的比值進行計算的。藥物在組織中的量是由組織間隙液中的藥物和結合在細胞上或者內化至細胞內的量決定的。對那些可以與細胞膜受體結合的藥物,藥物主要則集中在組織中,Vss按理應該非常大。與此相反,大多報道表明這類藥物的Vss僅相當于血液的體積(哺乳動物60-80 mL/kg)。主要可能由于采用了非房室模型或者房室模型(如二室模型)進行計算導致的。同時,由于藥物與靶點結合有限而呈現非線性分布,Vss會隨著劑量或者穩態血藥濃度的增加而減小。此外,IgG的組織分布還會受限于細胞間的基質組成。細胞間隙基質具有凝膠樣粘度,并且具有凈負電荷,組成有粘多糖(如玻尿酸)和膠原蛋白,它們會與IgG分子存在相互排斥作用。

        3 消除

        抗體通過排泄或分解代謝的方式進行消除。腎臟主要分解代謝分子量低于60 kDa的物質,所以完整的抗體難以通過腎臟進行過濾消除。和免疫球蛋白一樣,單抗主要也是通過分解代謝的方式進行消除,得到的肽段和氨基酸可參與內源性蛋白質的合成。Fab和Fv可以通過腎小球過濾、腎小管重新吸收或代謝。單抗藥物可在細胞內被溶酶體或/和蛋白酶降解成肽段和氨基酸,或者通過與抗原形成免疫復合物被免疫系統清除。單抗的消除方式有:非特異性的細胞吞噬作用、非特異性的Fc受體介導的消除和特異性的靶點介導的消除。

        3.1 非特異性的細胞吞噬作用

        胞飲是內皮細胞在液相環境下,對抗體產生非特異性的內吞作用。體內內皮細胞表面積大于1000 m2,其可有效地從體內清除IgG。通過胞飲攝取作用分解代謝IgG并非局限于某個器官,而是全身都會發生。尤其是發生在那些內皮細胞的毛細血管床內。皮膚、肌肉和胃腸道是IgG的主要消除途徑。

        3.2 非特異性的Fc受體介導的消除

        抗體的Fc可與Fcγ受體(FcγRs)結合內吞進入細胞或者通過ADCC作用被清除,Fc還可以通過與補體C1q(CH2)結合介導CDC作用清除藥物,該途徑具有較大的清除能力,會使藥物呈現線性藥代特點。

        FcγRs通常表達于內皮、肌肉、肝等組織的單核細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞等各種免疫細胞表面,有FcγRⅠ,Ⅱ和Ⅲ三種亞型,可識別生物分子Fc區域(CH1和CH2)。通過與FcγRs結合激活細胞的內吞與水解作用,從而介導生理性抗體的消除。Fc受體不僅可介導生理性IgG的消除,也可以介導具有Fc的外源性治療性蛋白的消除。利用FcγRs敲除的動物研究表明,對大部分單抗,FcγRs介導的清除所發揮的作用較小??赡苡捎谘写嬖诖罅康纳鞩gG會增加與相對含量低的單抗藥物競爭結合FcγRs的機會,從而削弱了藥物與受體的結合作用,使得FcγRs對單抗的PK影響并不明顯。大部分單抗可通過形成可溶性的免疫復合物,通過其效應功能發揮藥效作用(如ADCC)的同時,免疫復合物會增加與FcγRs的結合能力,此時,通過FcγRs的受體介導內吞作用可能會對單抗整體的消除有額外的貢獻。

        為了維持體內IgG的平衡以發揮其生理作用,FcRn對IgG的保護機制較為重要,如圖5所示,該作用與Fcγ受體作用相反。FcRn在內皮細胞,髓樣抗原呈遞細胞(APCs、單核細胞、巨噬細胞和一些樹突細胞)、成年人的腸道、血腦屏障、肝、腎等均有表達。FcRn具有重要的生理調節功能,在維持血清中IgG的水平中發揮重要作用。研究表明,FcRn受體與IgG的Fc區域(CH2和CH3)結合后,能夠避免被細胞內的溶酶體降解。這種結合依賴于酸性環境,生理pH環境下,FcRn與IgG的親和力較低。藥物通過血管內皮細胞或/和循環系統中單核細胞的內吞作用(胞飲或者受體介導的內吞)使血中的IgG與FcRn結合,通過形成核內體進入細胞。核內體的酸性環境使得IgG與FcRn的親和力增加。一旦結合,FcRn-IgG復合物會被轉移至細胞表面,在生理pH環境下,釋放IgG回到血液循環系統中。核內體中未結合的IgG則會被溶酶體中的蛋白酶降解。IgG單抗藥物及其抗原抗體復合物也同樣會因為FcRn的保護作用而延長體內的消除半衰期。該保護作用使得IgG1、IgG2和IgG4的消除半衰期長達18-21天。IgG3與FcRn的親和力較低,所以半衰期僅為7天。有研究表明,鼠敲除FcRn后,IgG的清除增加10倍。IgG與FcRn相互作用一般認為是由Fc決定的,但有研究發現,Fab臂構象的變化會影響FcRn的結合。此外,IgGs的Fv電荷的分布也會影響與FcRn的結合能力。在眼部和腦組織FcRn介導的清除作用機制不明。

      圖5 FcRn介導的IgG循環保護作用[Nature Reviews Immunology, 2007]

        盡管存在FcRn的保護作用,但是由于生理IgG濃度達12 mg/mL,使得FcRn的再循環過程飽和,會削弱該作用。當IgG的濃度增加,無論是給予高劑量的外源性免疫球蛋白,還是內源性變化如多發性骨髓瘤,IgG的清除率都會增加,半衰期降低。相反,低丙球蛋白血癥患者則會降低單抗的清除,延長半衰期。然而,由于大部分的單抗臨床給藥劑量低于10 mg/kg,僅占人體內IgG總量的1%-2%,所以FcRn對IgG的再利用作用一般在給予治療劑量的單抗時不產生明顯改變。此外,藥物與人體的FcRn結合時,非人源抗體較人源化抗體的親和力低,隨著人源化程度的增加單抗的半衰期顯著地延長,半衰期由小到大依次為:鼠源性<嵌合型<人源化<完全人源化。由于FcRn與人IgG的親和力存在種屬差異,選擇動物模型時需要注意。人IgG1與鼠FcRn的結合能力是與人FcRn結合能力的2.5倍,所以在鼠模型上評價人IgG1的FcRn介導的吸收和分布過程時會高估該作用;而人IgG與食蟹猴的FcRn的結合能力與人相似。

        3.3 特異性的靶點介導的消除

        單抗具有靶點介導的藥物消除(Target-mediated drug disposition, TMDD)特征,可特異地與細胞表面的靶點/抗原結合,通過內化作用進行消除。細胞對藥物內吞后,可觸發細胞內溶酶體對單抗-受體復合物的降解。由于細胞表面靶點的數目有限,該途徑易飽和,不僅與藥物的劑量有關,還與靶受體的生物學特性,如親和力、表達水平(上調/下調)、內化率及更新速率有關。該途徑的作用程度取決于單抗的暴露量和靶點水平之間的關系,見圖6。當藥物的暴露量遠小于靶點量時,該消除途徑未達飽和,總體呈現為線性藥動學特征。隨著藥物濃度逐漸增加至大于靶點量時,該消除途徑則開始飽和,清除率隨著劑量的增大而降低,呈現出非線性特征。但當進一步增加藥物的暴露量時,靶點介導的消除作用將遠小于Fc介導的非特異性消除作用,消除呈現一級動力學特征,清除率降低,藥時曲線表現為達到平臺,總體呈現為線性藥代。若體現在給藥劑量上,低劑量時,靶點介導的消除途徑呈現非線性PK,隨著劑量的增加,清除率逐漸降低;隨著靶點的飽和,靶點介導的清除對藥物的整體清除率的貢獻有限,甚至可忽略不計,PK又呈現線性。通過單次靜脈給予藥效相關動物受試藥物遞增劑量,從清除率或者半衰期與劑量的變化數據可以輕易地判斷藥物是否具有TMDD特征。

      圖6 藥物TMDD的C-T曲線[Journal of Pharmacokinetics & Pharmacodynamics, 2012](A) 藥物與靶點快速成成平衡; (B) 靶點處于飽和狀態,藥物主要通過異化作用消除,該過程是一級動力學過程,所以總體呈現線性PK; (C) 靶點飽和狀態逐步減弱,此時靶點介導藥物處置的這個消除途徑越來越明顯,呈現非線性PK; (D) 藥物濃度進一步降低,靶點遠未達飽和,靶點介導的消除和異化作用都為一級動力學過程,總體又呈現為線性PK。

        TMDD一般多見于作用于膜受體的單抗,作用于可溶性配體的單抗也會表現TMDD特征。另外,由于種屬差異,動物的藥效靶點常比人體內的活性差,而且一些藥效靶標在患者體內一般比健康人更多,因此臨床患者更易發生非線性PK。但通常臨床研究給藥劑量下,TMDD消除途徑飽和使得藥物大都呈現線性特點。單抗的體內過程如圖7所示。

      圖7 單抗的體內過程[Advanced Drug Delivery Reviews, 2013]

        4 藥代動力學模型

        4.1 非房室和房室模型

        單抗的藥代動力學模型大都采用房室模型和非房室模型進行擬合,尤其以經典的二房室模型的應用居多。房室模型理論中假設藥物在各房室間的轉運速率以及藥物從中央室中消除的速率均遵循一級反應動力學,因此動力學過程屬于線性動力學。房室模型和非房室模型的假設前提是線性PK,并且藥物在血漿和組織間可快速達到平衡,而單抗與靶點具有特異性的親和性,呈現非線性動力學特征,實際中,采用非房室模型或者簡單的房室模型擬合會低估Vss。

        4.2 TMDD模型

        TMDD模型用于描述單抗與靶點結合以單抗-靶點復合物的形式進行消除的特性。該模型需要結合藥物與靶點的結合和解離常數進行描述。雖然TMDD有助于了解藥物與靶點之間的相互作用機制,但實際中應用較少,除了因為可能缺少靶點和/或藥物靶點復合物濃度的數據,為了識別非線性特點PK數據還需要跨越較大的濃度范圍使實驗難度增加。由于藥物靶點結合速率遠大于解離速率,加上實際中劑量的選擇、采血點的選取,以及可能存在的免疫原性等因素的影響,使得TMDD模型擬合的數據可能有偏差??梢圆捎每焖俳Y合假設(RB)、準穩態假設(QSS)和米氏假設對TMDD模型進行簡化,以提高該模型的穩定性。

        4.3 生理PBPK模型

        PBPK模型賦予了房室生理和解剖意義。單抗藥物的PBPK模型可以同時描述血漿藥物動力學特征、組織藥物濃度與時間的關系,以及單抗藥物特殊的處置方式,如TMDD、對流轉運、FcRn介導的藥物再利用,蛋白酶降解等。一個PBPK模型甚至會包含16個組織房室,每個房室還會進一步分為血管、核內體、細胞間質、細胞的房室,不同種屬參數不同,不同組織不同系數,會涉及到藥物與FcRn的結合和解離常數、未結合藥物的降解速率、以及胞飲作用的清除速率等。PBPK模型極為復雜的建立過程限制了其應用。簡化的PBPK模型的出現在一定程度上提高了其適用性。

        4.4 PK/PD模型

        不像小分子,通常,單抗存在TMDD,使其PK與PD具有較好的相關性。PK/PD模型有助于預測藥物在人體的安全性和有效性,有助于了解抗體和靶點的相互作用機制,有助于理解潛在的生物學功能和疾病發展進程間的關系。已有許多研究基于單抗不同的應用建立相應的PK/PD模型,如免疫毒性治療、靶細胞消除、改變細胞功能及靶向藥物等。根據靶點對藥物的處置特點以及藥物與靶點的相互作用特點建立合適的PK/PD模型對于單抗藥物的研發具有重要意義。

        三、影響單抗藥物代謝的因素

        1 藥物特性對PK的影響

        1.1 電荷

        蛋白所帶電荷為零時的pH為等電點(Isoeletric point,PI),此時蛋白質在電廠中的遷移率為零,可用來衡量蛋白的帶電性。在與細胞表面的具有負電性的靶點相互作用時,單抗的帶電性會影響PK。一般說來,單抗的PI越高,偏堿性,表現出易與細胞表面的負電性位點相結合,則組織攝取率增加,清除率加快;相反,PI越低,偏酸性,由于細胞表面結合位點負電性的互斥作用,使得細胞攝取較低,表現出組織攝取和血中清除率的降低。研究發現,藥物的PI值改變至少1個單位時才對其PK和組織分布產生影響,若改變不足1,一般不會影響PK。同時,通過PI的改變可以優化藥物的PK特性,尤其對于那些具有較強的靶點介導清除特征的藥物,可通過降低藥物的PI,降低藥物的清除,延長半衰期。

        1.2 糖基化類型

        和天然IgG一樣,目前獲批的單抗大部分都具有糖基化位點(CH2,Asn297),有的藥物Fab區還會有糖基化位點。位于CH2區域Asn297上糖基化側鏈在調控單抗與C1q和FcγRs的結合作用中起著關鍵的作用。在抗體介導的CDC效應功能中,通過Fc與補體C1q結合啟動補體級聯反應致使靶細胞裂解;在抗體介導的ADCC效應功能中,抗體的Fc與效應細胞上的FcγRs結合引起單核細胞、巨噬細胞或者NK細胞對靶細胞的殺傷作用。

        不同的糖基化類型對PK和PD會有不同的影響,比如通過糖基化的改變可增加藥物與FcγRIIIa的結合以增強ADCC效應,增加了殺傷靶細胞的同時加快了藥物的消除。有研究還發現,糖基化側鏈上無半乳糖結構的IgG2和IgG1(可能)在體循環中的半衰期會較其它形式的長20%-40%,可能的原因是半乳糖基化形式與FcγRI的親和力更高。

        2 可溶性/可脫落靶點對PK的影響

        2.1 可溶性靶點

        體內靶點水平的高低會使單抗的PK呈現不同的特點,作用于可溶性靶點的單抗的PK特點如表1所示。

        單抗直接作用于體內水平較低的可溶性配體時,如:TNFα、干擾素-α、VEGF和IL-5,會表現出線性消除的特點。免疫復合物通過FcγRs清除會呈現非特異性、線性消除的特點。在大多數情況下,游離的可溶性配體的清除過程較免疫復合物快??扇苄园悬c與單抗藥物結合后,由于可溶性配體會遵循單抗的分布和清除規律,同時,藥物可能會阻礙可溶性配體正常的消除過程使其在循環系統中積累,所以血漿中總靶點水平會顯著升高;同時,藥物的結合使可溶性靶點水平降低,這種負反饋機制也可使機體增加對這些靶點的合成。此外,作用于低水平可溶性靶點單抗藥物的PK不會因為患者靶點水平的上調而發生變化。

        單抗作用于體內水平較高的靶點時,如IgE、RANKL(Receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand),藥物呈非線性動力學特征,并且藥物與配體結合后會表現出更快的清除免疫復合物的現象??赡艿脑蛴校簩τ谙馮NF和TGF超家族的細胞因子等這些天然的二聚體或者三聚體游離配體,可組成多個重復的表位結合多個藥物;并且更易于聚集,可以與藥物形成超大免疫復合物,進而增強FcγRs介導的免疫反應,如ADCC效應、吞噬作用以及炎癥反應,通過細胞吞噬的作用快速地清除藥物。

        表1 靶向內源性可溶性配體的單抗的PK特點

      來源:Expert Review of Clinical Pharmacology, 2016

        2.2 可脫落靶點

        相比于與血管外的膜靶點結合,單抗更易與脫落的靶點結合聚集在血管區域,作用于可脫落靶點的單抗的PK呈現非線性,如表2所示。非線性PK可能是TMDD或時間依賴的消除機制引起的。藥物同時提高可溶性配體和細胞表面受體的水平時,可能會導致TMDD。時間依賴性消除與靶點的耗竭(depletion)或者靶點表達水平隨時間變化有關。循環中脫落的靶點可與藥物結合形成免疫復合物,可以加速免疫復合物清除的同時,還會干擾藥物與細胞表面受體的結合,從而影響藥物的療效。此外,脫落抗原水平、藥物與脫落靶點和膜靶點的相對結合動力學的差異會影響膜靶點的RO??梢?,脫落靶點對藥物PK和PD均有影響。

        表2 靶向膜結合可脫落靶點單抗的PK特點

      來源:Expert Review of Clinical Pharmacology, 2016

        3 患者因素對PK的影響

        患者的基因多態性、疾病狀態等均會對藥物PK產生影響。例如患者的FcRn異源二聚體的表達差異會對單抗的藥代有影響。常見的VNTR3/VNTR3基因型對FcRn的轉錄水平是VNTR3/VNTR2的1.66倍,使得infliximab在雜合子腸炎患者體內比純合子患者體內的暴露低。另外,FcγR也存在基因多態性。乳腺癌患者HER2過表達的患者會存在FcγR IIIa的158位置的苯丙氨酸(F)變成纈氨酸(V)的情況,而氨基酸的變化增強了IgG1與FcγR的親和力,同時增強了ADCC作用。臨床上,V/V基因型的患者對藥物表現出更高的應答率。FcγR的基因多態性會影響以ADCC作用為主要消除途徑時藥物的清除率,如FcγR IIIa為F/F基因型的患者,infliximab體內清除率會降低。

        患者的疾病狀態也會影響藥物的藥代。蛋白的分解代謝是單抗的主要消除方式,它會受各種疾病狀態影響,如癌癥、損傷、慢性炎癥等。體重減輕、體型消瘦等癌癥相關癥狀是慢性炎性反應的表現。癌癥患者相比正常人,炎癥水平的提高會使整體蛋白周轉率提高50%-70%,這不僅會影響內源性蛋白的代謝,還會影響外源物的代謝。結果表現為,患者間的非特異性的蛋白清除各不相同。蛋白周轉率的增加,如低白蛋白血癥,會導致IgG分解代謝增加,清除率增加,降低藥物的系統暴露。C反應蛋白(CRP)是系統炎癥水平升高的一個非特異性指標,它在單抗的清除中也較為重要,CRP的體內水平與單抗的清除率正相關。此外,有些腫瘤患者內源性蛋白的周轉具有時間依賴性,可能由于系統炎性水平的降低,藥物清除率降低,提供了患者對藥物的應答。

        4 免疫原性對PK的影響

        單抗進入機體后可能誘導免疫應答,以進入體內的抗體作為抗原生成第二抗體,即抗藥抗體(ADA)。ADA的生成可能會加快藥物的消除速率。免疫原性與抗體的人源化程度、給藥方式、給藥劑量、給藥頻次、治療時間的長短有關。隨著人源化程度的增加,抗體藥物免疫原反應發生概率逐漸減少,但即使是全人源化的單抗也會引起免疫原性;免疫原性的發生率為皮下注射>肌肉注射>靜脈,低劑量、多次、長期給藥易產生免疫原性。此外,免疫原性還與患者的疾病狀態有關。

        具有中和活性的ADA會影響抗原-抗體結合,在臨床上會降低藥物發揮作用,還可能會引起副作用。無論是非中和活性還是中和活性的ADA均可能會對藥物的PK和系統暴露產生影響。對PK產生的影響通常表現為藥物清除率增加,藥物的系統暴露降低或者變化甚微。清除率增加的原因可能是由于大小和結構上各不相同的ADA-單抗復合物的形成,觸發了網狀內皮組織中溶酶體對免疫復合物的攝取和降解,免疫復合物的消除或快或慢于藥物單獨存在時的消除速率。

        5 脫靶效應對PK的影響

        為了避免自身免疫性疾病,通過體細胞突變而成熟的抗體會嚴格控制清除體內不利的突變體,這些突變體會非特異性地與自身抗原結合或廣泛地與正常組織發生相互作用。盡管單抗的設計是針對抗原的,然而,體外篩選或者成熟的抗體缺乏體內類似的控制系統,會篩選出一些非特異結合的突變體,對非相關抗原具有多特異結合能力。單抗的脫靶效應會明顯影響PK、組織分布、藥效以及毒性??赡軙铀偎幬锏那宄档童熜Щ蛘叻前邢蚪Y合而引起毒性。

        四、單抗藥物生物分析

        獲批單抗主要為IgG類型,IgG具有兩個抗原結合價。給予人或動物單抗藥物后,它可以與循環中的靶蛋白、抗藥抗體以及其它的內源性物質相結合。二價抗體藥物在體內有多種可能的存在形式:游離型抗體(mAbfree)、部分游離型抗體(Partial free mAb)、結合型抗體(mAbbound),三者之和為總抗體(mAbtotal)。游離型抗體是二價均未結合配體,也有將游離型抗體定義為二價均未結合和單價結合配體的總和;部分游離型是只有單價結合了配體;結合型抗體是二價均與配體相結合;總抗體則是游離型抗體和結合型抗體的總和(mAbfree+ mAbbound)。大多數情況下,由于游離型抗體和部分游離型抗體仍存在與靶點結合的能力,所以被認為是可發揮藥效作用的活性形式,兩者共存時會與藥物的體內暴露、靶點募集(Target engagement)和生物學效應相關聯??偹幬餄舛瓤梢蕴峁┧幬锖桶悬c的相互作用信息。上述藥物形式的體內水平會因為PD、免疫原性以及疾病狀態而隨著時間而變化。所以所選擇的平臺和方法的選擇性、專屬性等尤為重要。

      圖8 游離藥物濃度和總藥物濃度檢測示意圖[Bioanalysis, 2014]

        根據不同的實驗設計、試劑的選擇以及不同的實驗條件,可以采用配體結合法(LBA)測定上述單抗藥物的不同形式,如圖8所示。LBA法具有特異性高、通量高、靈敏度高等優勢,應用廣泛,據統計,臨床95%的生物技術藥物的PK研究采用的都是LBA法。LC-MS方法作為LBA法的補充(如圖9),在單抗PK研究中的應用逐漸引起業內的關注,尤其臨床聯用藥物時,試劑不易獲得時,LC-MS可以用于同時定量不同藥物的濃度。

        此外,研究靶部位藥物暴露時,由于基質復雜,需要優化劇烈的樣品制備方法釋放藥物時,LC-MS較強的專屬性和抗干擾能力可以實現靶部位藥物的準確定量。平臺的選擇關乎結果的可靠性。一般來說檢測游離型藥物濃度首選LBA法,如果需要檢測藥物的總濃度,可以根據試劑的準備等因素選擇LBA或者LC-MS。靶點的干擾在分析檢測中不容忽視,無脫落的膜結合靶點干擾單抗藥物定量的情況少有出現,而對于那些循環中具有高水平的靶點存在時,則會干擾LBA法檢測的藥物濃度。尤其對于游離型抗體和部分游離型抗體的檢測影響更大。但實際臨床給藥劑量達到摩爾級別時,可能對藥物定量的影響甚微。

      圖9 根據檢測對象選擇檢測平臺工作流程圖[Bioanalysis, 2014]

        五、結語

        在過去的20年里,單抗藥物的研發取得了史無前例的巨大成就。隨著新型抗體藥物的不斷出現,需要對單抗的處置特點和代謝機制進行深入研究,以更好地應用于藥物設計、指導臨床用藥,加快單抗藥物的研發進程。

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