抗体偶联药物——精彩才刚刚开始

一、全球ADC药物销量增长迅速 中国市场存在巨大增长空间

ADC在近两年进入行业视野，随着FDA陆续批准几款ADC药物上市，以及ADC展现出的临床治疗潜力和交易价值，大家对ADC的关注度和热情空前高涨。已经上市的13款ADC药物正在向全球市场扩展，各地区都展现出较好的销量增长。截止2021年6月，全球批准上市的ADC药物共计13款，处于临床开发阶段的ADC项目超过100个。

图表1:全球已上市ADC药物情况

资料来源：医药魔方

★ 美国：ADC药物上市时间较早，上市药物数量高达11款，销量远远领先其他地区。从2016年到2020年，美国ADC市场销售额从3.28亿美元增长至14.7亿美元，CAGR高达45%。

★ 欧洲：共有7款ADC药物上市，从2016年到2020年，销售额年均增幅为13%，销售额在2020年达到5.81亿美元。

★ 日本：目前共有4款ADC药物上市，2016年到2020年的市场年复合增长率为21%，销售额增长至2.22亿美元。

★ 中国：中国市场刚刚迎来ADC药物的热潮。2020年，全球最早上市的两款药物Adcetris和Kadcyla获批在中国上市，在2020年总计获得57万美元的销售额。ADC中国市场的销售额将迎来快速增长（图2）。

图表2:全球已上市ADC药物销售情况

资料来源：IQVIA

二、整体大于局部——局部最优不代表全局最优

ADC是一个结合了生物药、化学药的复杂实体，可以切入的角度很多，单一维度的拔高并不意味着肯定可以提高药物的整体效果，需要从系统的角度全盘考虑，在深入理解 ADC 分子结构-功能关系的基础上，不求每个因素都最优，但求提高整体效果，以获得最佳治疗窗为根本目的。一款理想的ADC药物无外乎具备以下4点特征：

★ antibody的选择：针对肿瘤特异（相关）性抗原，较高的表达水平，良好的内吞效率、良好的抗原亲和力、无免疫原性、药物可及性；

★ linker的选择：血液循环中保持稳定，在细胞内快速解体，高效释放毒物；

★ 连接方式：定点偶联，产生均一的抗体偶联物；

★ payload：一般要求毒素毒性足够强，IC50值在0.01-0.1nM；足够的水溶性及血清中的稳定性；毒物的作用靶点位于细胞内。

图表3:ADC结构

资料来源：智银资本

2.1 抗体

1）靶点选择

ADC 的成功开发依赖于选择合适的靶点抗原。因为细胞表面抗原靶标的数量有限，而抗原-抗体复合物的内化过程通常效率低下，所以，抗原的选择具有一定挑战性。在肿瘤细胞表面很少有完全肿瘤特异性抗原，大多数 ADC 靶点往往是肿瘤相关抗原，并且这些抗原应当在正常细胞中不表达或者少表达。值得注意的是，ADC 的靶点不一定干预细胞生长。ADC的抑瘤作用主要是通过肿瘤标记物对 ADC 内化的作用来介导的，而不是通过抑制细胞生长来介导的。然而，参与细胞分裂途径的作用（如 CD30 和 CD70 肿瘤坏死因子信号传导）可被认为是 ADC 疗效的优势。

有效的 ADC 活性所需的抗原表达水平根据不同抗原特性而变化。ADC 需要至少10^4 个抗原/细胞，以确保能够递送致死数量的细胞毒性药物。理想情况下，ADC的抗体部分所针对的抗原应在肿瘤细胞表面均匀表达且拷贝数较高（>10^5/细胞）。肿瘤细胞表面通常只有有限数量的抗原（大约 5000 到 10^6 个抗原/细胞），当前临床阶段得大多数 ADC 的平均 DAR 为 3.5-4，因此 ADC 输送到肿瘤细胞的药物量很低，因而也对 ADC 有效荷载的药物毒性提出了极高的要求。

总的来说，ADC靶点选择要求包括：

★ 癌细胞中高表达

★ 有胞外域（ECD）

★ 有内吞作用

★ 不进入血液循环

★ 干扰细胞生长（次要）

★ BYSTANDER效应（次要）

★ 再循环能力（次要）

2）抗体选择

高靶向性和最小免疫原性是 ADC 中抗体的主要特征。这可以防止抗体与其他抗原的交叉反应，避免毒性和到达肿瘤前 ADC 的去除/消除。

抗体根据其重链恒定区序列分为5类:免疫球蛋白M (IgM)、IgD、IgG、IgE 和IgA。在五个类中，IgG 的一个亚型IgG1最常用于癌症免疫治疗。一个典型的IgG1抗体由两个重链和两个轻链组成。其中重链和轻链的constant (C) regions组成Fc区域；variable (V) regions组成Fab区域，提供抗原特异性。Fc区域负责抗体被免疫效应因子识别的能力。Fc片段不识别相应的抗原，而是与各种细胞受体（如t细胞）和补体蛋白结合。所有抗体均在其恒定区域的保守位置糖基化。例如，它们在Fc区保守的N297残基上存在一个糖基化位点。

IgG共有四个亚型，目前大多数ADC药物大多是采用IgG1支架。因为IgG1分子对靶抗原有较高的亲和力，而且在血液中半衰期较长，这都会使得抗体在肿瘤部位的聚集。而且IgG1具有相对强的抗体依赖性细胞毒性（ADCC）和补体依赖性细胞毒性（CDC）和易于生产等特点。尽管IgG3 的ADCC和CDC也较强，但由于IgG3半衰期较短，所以不是ADC药物的理想选择。IgG2和IgG4在胞内形成的铰链不容易被还原，因此难以生产基于半胱氨酸的ADC药物。

ADC的免疫原性是决定循环半衰期的重要因素，在ADC发展的最初几年都是基于小鼠单克隆抗体，会引起人体强烈的免疫反应（HAMA）。因此，小鼠的抗体很快被嵌合的IgG抗体所取代，随后又被人源化的IgG所取代。

3）抗体修饰

抗体治疗活性通常通过免疫介导的效应器功能介导，如抗体依赖性细胞毒性（ADCC）、抗体依赖性细胞吞噬（ADCP）、补体依赖性细胞毒性（CDC）和细胞因子信号调节抑制或诱导。通过对抗体 Fc 段的修饰， 可进一步用于增强抗体的这些效应，从而设计具有增强细胞杀伤活性的 ADC。例如，抗 CD19 靶向抗体对 FcγRIII 的 Fc 结构域亲和力通过 Fc 糖化长度法得到增强。

ADC 中抗体的修饰技术分为两类，其一是修饰可连接的位点，将一般抗体修改成THIOMAB 来使 ADC 产品连接的毒素数目更加均匀，显著减少产品中混杂的次品比例。这种方法能够解决 ADC 生产中的核心问题。

第二种主要为糖基化修饰，分以下几类。其中，去岩藻糖基化是十分有效的新技术，被 Seattle Genetics 以及许多纯单抗研发商使用。

2.2 Linker

开发有效 ADC 的最大挑战之一是选择合适的连接子。将细胞毒性药物与单克隆抗体连接的连接子是 ADC 的核心部分，以保证其在血液循环中的稳定性。连接子是ADC 有效递送细胞毒性药物的基础，也是决定 ADC 产物毒性的关键因素。循环中药物的过早释放可导致全身毒性和较低的治疗指数。

1）连接子种类

目前正在临床评估的大多数 ADC 含有通常可分为两大类的连接子：可裂解和不可裂解的连接子。可裂解连接子利用了血液循环和癌细胞内之间的条件差异。低pH（酸性环境），蛋白酶水解（溶酶体中存在某些特定蛋白酶）和还原环境（细胞质的高谷胱甘肽浓度）是用于肿瘤细胞内药物释放的一些细胞内特征。基于上述标准，有三种类型的可裂解连接子：腙键，二硫键和肽类接头，每种连接子都响应不同的肿瘤特异性细胞内条件。

图表4:不同linker示意图

图a所示为含腙键的linker，该linker应用于吉妥单抗Mylotarg。然而，现在有大量临床研究表明，酸性条件断键的linker与非特异性释放有效载荷有关，这可能导致系统性毒性。这也是2010年Mylotarg撤出市场的原因之一。图b设计的二硫键交联的linker利用胞内还原谷胱甘肽的高水平表达，还原二硫键在胞内释放出毒性分子。图c显示了一个酶可切割的linker。这种类型的连接子通过水解酶识别和切割特定肽序列，从而确保ADC只在溶酶体环境中进行切割，而不是在血浆中。图d显示了另外一种葡萄糖醛酸苷酶可切割的linker，该酶存在于溶酶体或者一些特定的肿瘤细胞内。该linker具有亲水特征，与含有二肽或其他类型的linker结构相比，可能会减少偶联过程中的聚合。

不可裂解连接子依赖于抗体在溶酶体内完全降解。与可裂解连接子相比，不可裂解连接子只能在进入到靶细胞内后释放药物。所以，具有不可裂解连接子的 ADC 必须求适当的内化和细胞内降解才能起作用。硫醚连接子是不可裂解连接子的最常见的例子。

图表5:硫醚连接子

2）连接方式

细胞毒性分子与连接子连接到 mAbs 的方式会极大影响 ADCs 的活性和耐受性。连接方式一般分为两类：化学偶联和定点偶联。

化学偶联是传统意义上的连接方式，主要有 3种类型 ：①利用抗体上的氨基酸残基侧链，一般是赖氨酸的 ε- 氨基与细胞毒分子共价结合 ；②先在抗体表面的赖氨酸残基上引入活性基团如马来酰亚胺，再与引入活性反应基团如硫醇的细胞毒分子 -连接基连接物进行连接 ；③部分还原抗体中的链间二硫键 ( 全部还原会破坏抗体结构 )，释放出半胱氨酸残基，与含有活性反应基团的马来酰亚胺细胞毒分子 - 连接基连接物进行连接。

化学偶联方式会导致 ADCs 的异质性，形成在抗体不同位点连接细胞毒分子和连接不同数量细胞毒分子（DAR，即药物/抗体比率）的 ADCs 混合物，影响 ADCs 的毒性、稳定性及疗效。比如由于一个抗体大约含有40 个赖氨酸，通过赖氨酸偶联而形成的 ADC， DAR为0-8， DAR值/位点不均一。

近年来出现了小分子-单抗定点偶联技术，能保证将一定数目药物分子定点偶联至抗体的特定位点，很大程度上在生产上保证药物同质性和批量生产稳定性。另外DAR值也可以精确控制在2- 4。相比于传统ADC，定点偶联产生的ADC 其稳定性、药动学性质更好，大大降低了由于药物脱落而导致的非治疗性毒副作用，因而其有更宽的治疗窗，毒副作用也远低于具有相同偶联比的传统 ADC，具有开发新一代重磅药物的潜力。

目前常用的定点偶联技术有：1）引入反应性半胱氨酸，例如Genentech的THIOMABs平台，Seattle Genetics的Engineered cysteine mAbs平台等；2）引入非天然氨基酸，目前采用策略的公司比较少，主要有Ambrx的EuCODE平台，通过烷氧基胺与引入的pAcPhe（对乙酰基苯丙氨酸，一种非天然氨基酸）中的酮羰基反应生成肟进行偶联，此外还有Sutro Biopharma的Xpress CF+平台和Allozyne的AzAbs平台；3）酶催化法，例如Catalent的SMARTag、 Pfizer的BTG平台等；4）二硫键改造，例如Abzena的ThioBridge平台， Igenica Biotherapeutics的SNAP等。

图表6:定点偶联技术对比

2.3 细胞毒性药物

细胞毒性药物（小分子，有效荷载或弹头）是影响 ADC 活性和特征的关键因素。用于 ADC 开发的细胞毒性药物必须满足以下几点：

1）与标准化学治疗药物相比，具有显着更高的毒性效力（IC50 值在 0.01-0.1nM范围内）。

2）存在适合与抗体连接的官能团。

3）可接受的水溶性能够与抗体反应。

4）并且在常用的抗体制剂中有较好的稳定性。

目前用于 ADC 研究和开发的有效荷载具有比第一代 ADC 更大的效力，并且通常可分为三大类：微管抑制剂、DNA 损伤剂和酶抑制剂。

有丝分裂抑制剂能够干扰有丝分裂，染色体纺锤体分离，改变细胞的细胞骨架结构，导致细胞死亡。用于 ADC 开发的两种最广泛使用的有丝分裂抑制剂基于auristatin 或 maytansinoids。两种类型的有效荷载代表微管组装的有效抑制剂，在长春碱结合位点附近与微管蛋白结合，引起 G2/M 细胞周期阻滞和随后的细胞凋亡。这种细胞杀伤机制在快速增殖的细胞中非常有效，但非分裂和静态细胞可能对药物作用不太敏感，导致产生耐药性。因肿瘤细胞分裂速度比大多数正常细胞更快，所以抗有丝分裂药物对癌细胞特别有效。由于这种固有的选择性，高效的微管蛋白抑制剂，如美登素（DM1 和 DM4）和 auristatin（MMAE 和 MMAF），已成功用作临床批准的 ADC 药物（brentuximabvedotin 和 trastuzumabemtansine）。auristatin 和 maytansinoids 也是目前临床试验中大部分 ADC 使用的有效荷载。

DNA 结合细胞毒素通过与双螺旋小沟中的 DNA 结合而发挥其细胞毒性作用。Calicheamicins ， duocarmycins ， camptothecins ， anthracyclines ，pyrrolobenzodiazepines（PBD）和 indolinobenzodiazepines 是这类细胞毒性药物的代表，所有这些都显示出高效的活性。这种小分子倾向于与 DNA 的小沟结合并促进 DNA 链烷基化，断裂或交联。N-乙酰-γ-卡里奇霉素，通常用作 ADC 结构中的 DNA 损伤剂，用于 gemtuzumabozogamicin 和 inotuzumabozogamicin。值得注意的是，由于 Calicheamicin 疏水性较强，为避免聚集蛋白，每个单克隆抗体只能偶联几个分子。

喜树碱衍生物 SN-38 和 DX-8951f 是目前用于ADCs 的 2 种细胞毒分子，作用于拓扑异构酶Ⅱ。SN-38 是抗肿瘤药物伊立替康 ( 半合成水溶性喜树碱类衍生物 ) 的活性代谢物，毒性比伊立替康强 3个数量级，但溶解性较差，不能直接作为药物使用，然而可将其作为细胞毒分子与单抗相连形成水溶性的 ADC使用。DX-8951f 是依沙替康的甲磺酸盐，是一种水溶性抗肿瘤药物，抗肿瘤活性强于其他喜树碱衍生物，并且能有效阻止 P- 糖蛋白 ( P-gp) 介导的多药耐药，也被用于 ADC研究。α- 鹅膏蕈碱是双环八肽毒素，对 RNA 聚合酶Ⅱ具有较高的选择性，目前用其作为细胞毒分子的ADCs 都处在临床前研究阶段。

2.4 生产质量控制

ADC 集大分子与小分子的特性于一身，导致了 ADC 分子本身的复杂性。ADC 的复杂性，使得其结构的分析、设计和制造都面临了极大的挑战，导致了大量在临床前期就显示出潜力的药物由于毒性或 CMC 不完整而失败。例如早期ADC Mylotarg 因治疗组严重的致命性肝损伤以及较低的生存获益导致辉瑞主动撤市，这一事件也启发研究者思考如何制备稳定均一的 ADC，使其具有良好的药动学性质和安全性。

ADC 的制造主要包括单抗制备、连接子制备、小分子药物制备、 ADC 偶联、纯化及成品生产等过程。连接子和小分子药物可能会作为连接子-小分子药物中间体生产，然后将连接子-小分子中间体与抗体相偶联，之后去除未连接小分子药物和裸抗，并且去除有机溶剂杂质，再根据产品配方，配置成能够使用前的 ADC 原液， 并且冻干定型， 中间需要对杂质的检测和药品稳定性检测，最后通过放行质量检测才能销售。

图表7：ADC药物制备流程

药物抗体比例DAR 是 ADC 药物质量关键因素。ADC 有效载荷在通过连接子与抗体偶联时应在循环中处于非活性状态，并保持稳定的偶联状态，直到偶联物达到目标靶点为止。除了减少不依赖靶标的摄取之外，偶联物的稳定性对于从有效负载的特异性递送和分布至关重要。结合位点，化学物质和接头的设计以及 DAR 的负载极大地影响了血浆的稳定性，生物物理特性，并因此影响了结合物的药代动力学。DAR可以说是 ADC 最重要的质量因素，因为它直接影响安全性和有效性， DAR 的均一性直接影响药物的同质性，因此应该控制在一个适当的狭窄范围，以确保产品一致性。DAR 合理范围是 2-4。ADC 的主要特征是药物抗体比 DAR，如果 DAR 太低，细胞毒性就会太小，起不到杀伤肿瘤细胞的作用。若是 DAR 太高，其免疫原型会大大提高，因此会引起免疫系统的识别从而被清除，随着 DAR 增高， ADC 聚集的可能性就会增加，这都会对 ADC 产生不利。DAR 值在 2-4 之间属于最佳选择。

ADC 结构比较复杂且不同种类 ADC 设计之间存在较大差异，即使作用于相同靶点的 ADC，由于其识别的抗原表位、连接位点、连接子以及小分子药物的不同，其作用机制、血浆稳定性、体内代谢过程和毒副反应也会不同。因此， ADC 药物的药效学、药代动力学和安全性评估给药企带来了极大的挑战。这需要多种生物制药研究和分析方法，以及执行这些技术和解释数据的专业知识。ADC 工业化生产平台的复杂性促进了 CMO 平台的发展，目前约有 70%ADC 药物交由 CMO企业开发。

2.5 ADC目前面临的挑战与发展方向

虽然随着新靶点的发现、定点偶联技术的发明等，这些问题已经得到了部分的解决，但仍需持续优化。

1）寻找新靶点，扩大适应症范围

由于靶点是将药物导向癌细胞的关键，因此新靶点的发现成为 ADC 拓展新适应症、获取更大市场空间的关键。除了表皮生长因子、白细胞分化抗原、人滋养层细胞表面抗原等热门研究靶点外，目前国际上有多个新靶点正在开发中，如 5T4（实体瘤）、 Ephrin A4（三阴性乳腺癌、卵巢癌）、间皮素（胰腺癌、卵巢癌）、CD138（多发性骨髓瘤和实体瘤）、 CD37（非霍奇金淋巴瘤）、 GPNMB（黑色素瘤、骨肉瘤、三阴性乳腺癌、肺鳞癌）等。

图表8：ADC研究靶点分布

资料来源：医药魔方

图表9:部分新靶点药物

资料来源：Clinical Trials.gov

2）优化 linker 设计，循环稳定瘤内杀伤

理想的 ADC 药物应当在循环系统中保持稳定，尽可能减少毒性小分子的脱落以免造成过高不良反应，同时在进入肿瘤之后，又应当有效的释放毒性小分子以完成杀伤癌细胞的功能，两种目标的平衡则对 linker 的设计有很高的要求。目前 linker 的设计思路有以下几种考虑：

★ 可剪切或不可剪切的设计：

可剪切：对细胞内的某些环境和酶敏感，如溶酶体蛋白酶（brentuximab vedotincaiyogn 的二肽键）或酸性 pH（gemtuzumabozogamicin 和 inotuzumab ozogamicin 的腙）等， ADC 在进入细胞后 linker 断裂释放毒性小分子杀伤肿瘤；

不可剪切：在 ADC 发生蛋白质降解后释放 linker-药物，如ado-Trastuzumab Emtansine。

★ 旁观者效应（bystander effect） 的增强和减弱：

强化旁观者杀伤：由于肿瘤的异质性，导致不同肿瘤细胞的抗原表达有差异，靶向性过强则有可能导致“漏杀”部分肿瘤细胞；若增强旁观者杀伤能力，则可对周围抗原表达不同的肿瘤细胞也发挥抗癌效果。如 Brentuximab Vedotin，其 MMAE 被剪切释放之后可以穿过生物膜杀伤临近的上皮细胞。

弱化旁观者杀伤：对于抗原高表达、均一性较强的肿瘤，则不必采用旁观者效应即可有效杀伤肿瘤细胞 。如 ado-TrastuzumabEmtansine，其降解后的产物由于带正电荷而无法穿透细胞膜，因此只能对 HER2 阳性癌细胞造成杀伤而无旁观者杀伤效果。

★ 增强极性：

肿瘤细胞可以通过上调 MDR1 基因的表达而产生多药耐药性(multidrug resistance， MDR)，带电荷的或亲水的 linker 可以增强 ADC对 MDR1+细胞的杀伤能力。

3）开发新的连接技术，均一化 DAR

除寻找新的靶点和优化 linker 设计之外， ADC 类药物开发的也有其他的改进思路，如提升药物/抗体比率（Drug-to-Antibody Ratio，DAR）的均一性。若每个抗体上结合的小分子药物数量波动范围较大，则裸抗体会与 ADC 竞争结合位点，从而削弱治疗效果；优化抗体分子与毒性小分子的结合，提升 DAR 的均一性有利于强化抗肿瘤效果。

三、历史总是惊人的相似——扎堆适应症跟跑的价值是有限的

国内的ADC 药物研发主要集中在 HER2 和 TROP2 靶点，其中， HER2 赛道最为拥挤，目前共有 13款产品，占国内 ADC管线约 34%。但是国内企业也开始布局尚未有产品上市的靶点，例如 c-Met、ROR1、MUC1 等，但是与国外相比，靶点选择仍然较为单一， 研发同质性相对较高。

图表10：国内ADC研究靶点分布

资料来源：粤开证券

从目前披露的数据来看，Ds-8201展现了似PD-1“K药”的凌厉攻势，目前已获批乳腺癌，胃癌适应症，表现出“超级保底王”的强大实力，而且在NSCLC，结直肠癌领域表现依旧出彩，其还在扩大适应症，这也就是为什么Nature Reviews Drug Discovery预测到2026年DS-8201这一个药就会占到整个全球ADC市场近4成的份额。

图表11：部分国内外 HER2-ADC 临床数据对比

资料来源:ASCO 官网、阿斯利康官网、Drugs@FDA、光大证券研究所

四、未来远不止于此——更多的精彩才刚刚开始

不可否认是的是，ADC药物肯定是中国今后药企的必争之地，伴随着巨大的未被满足的需求，未来还会有更多竞争和产品涌入，竞争就日趋激烈。一方面ADC药物作为一种平台型产品，不仅仅是抗体+payload的模式，还可以是抗体+TLR激动剂、STING激动剂、抗生素等模式，这就意味着药企一旦在抗体+payload模式下掌握了开发经验，就可以迁移到另外模式的抗体药物中去，可以极大丰富了企业的产品管线，正所谓得平台者得天下，后续的操作空间巨大。

本质上说，大多数偶联药物都是采取定位配体实现靶向目的，不同功能的效应分子实现治疗价值或临床目的；产品设计理念延续了ADC药物思路，不同的是三类组成部分（配体-Linker-效应分子）的变换，出现诸如核素偶联药物（RDC）、小分子偶联药物（SMDC）、多肽偶联药物（PDC）、抗体免疫刺激偶联药物（ISAC）、抗体片段偶联药物（FDC）、抗体细胞偶联药物（ACC）、病毒样药物偶联物（VDC）、抗体寡核苷酸偶联物（AOC）、抗体生物聚合物偶联物（ABC）等。不仅如此，抗体降解偶联药物（ADeC）、前药偶联药物（Pro-DC）等新技术形式仍在不断出现。虽然繁荣的背后也令人眼花缭乱，临床价值能否实现仍有待观察，但不可否认抗体偶联药物的精彩才刚刚开始。

参考资料

1、医药魔方.《偶联药物大盘点：ADC、RDC、ISAC、SMDC、VDC、ADeC……》

2、丰硕创投.《当我们在讨论ADC的时候，我们在讨论什么？》

3、光大证券. 《国产 ADC 崭露头角，先锋企业再创佳绩》

4、光大证券.《ADC药物风起云涌，差异化竞争是关键》

5、粤开证券.《ADC药物蓄势待发，积跬致远，琢玉成器》

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