scFV 氨基酸序列(「行研」抗体药物偶联物（ADC）行业研究（一）)

scFV 氨基酸序列

抗体偶联药物的结构有哪些

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导言

2021年8月9日，荣昌生物与Seagen就开发和商业化其HER2-ADC新药RC48（维迪西妥单抗）达成一项全球独家许可协议，荣昌生物将保留RC48在亚洲（除日本、新加坡外）进行临床开发和商业化的权利，Seagen则获得RC48全球其他地区开发和商业化权益。根据协议：荣昌生物将收取2亿美元首付款和最多24亿美元的里程碑付款以及Seagen所负责地区RC48高个位数到百分之十几比例的销售提成。RC-48是首个License out的国产ADC新药，此次交易创下了中国创新药单药出海交易金额的新纪录，是本土创新药药企研发实力增强的重要标志，也预示着ADC赛道具有爆发的潜力。

抗体偶联药物（Antibody-Drug Conjugates，ADCs）是指将高选择性的抗体(Antibody)和强力细胞毒药物（Payload）通过连接链（linker）共价偶联而得的新型生物药物。

ADC药物中的抗体可与肿瘤细胞表面特定抗原相结合，引发肿瘤细胞内部生物化学级联反应，导致ADC药物被吸收入肿瘤细胞内部，再通过ADC中的细胞毒性药物发挥肿瘤杀伤作用。ADCs结合了单抗靶向性和细胞毒药物的优点，通过靶向作用极大降低了抗肿瘤药物的毒副作用，相较于其他化疗药物而言，提供了更宽的治疗窗口。

ADC概念首次提出于1967年，经过漫长的探索研究和Mylotarg上市（2009年FDA批准的首款ADC药物，2010年撤市，2017年重新上市）的一波三折，ADC药物研究逐渐明朗，2019年Polivy、Padcev、Enhertu三款ADC药物相继获FDA批准上市也标志着ADC研发领域正式迈入爆发期。据悉，目前有 100 多种 ADC 正在进行临床试验，大多数 ADC 已从 I 期进展到 II 期，一些 ADC 的 III 期试验显示积极结果，全球已有14款上市的ADC药物。

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ADC药物结构

ADC药物由重组单克隆抗体（mAb）、细胞毒性药物以及连接子（Linker）三部分组成，其中抗体通过连接子与细胞毒性小分子药物共价结合。结构示意图如下：

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1、靶标和抗体

抗体是ADC的“制导装置”，通过与肿瘤细胞表面特定抗原结合实现肿瘤特异性杀伤效果， ADC药物的理想靶抗原应在靶细胞表面均匀表达，在健康组织中低表达，以限制药物对非靶标细胞的毒性。此外，理想抗原应具有较低的从细胞表面脱落的可能性，以防止游离抗原在循环系统中与单克隆抗体结合，使药物失效。

抗体部分的理想特征应该包括：通过人源化或全人源的抗体实现最低的免疫原性；具有足够的抗原特异性、亲和性和较高的内化效率；循环半衰期长。目前已经有超过50 种不同的已知抗原被用作处于临床前或临床开发阶段的 ADC 的靶点：

数据来源：PubMed

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2、连接子

连接子将细胞毒性药物与单克隆抗体相连接，并维持ADC在体循环中的稳定性。连接子的化学特性和结合位点对ADC药物的稳定性、药代动力学、药效学特性和治疗窗口具有显著影响。连接子的理想特性应包括：足够的稳定性，保证ADC分在血液中循环并定位到相应靶点；在内化过程中快速水解并释放细胞毒性药物。

根据药物释放机制，目前常用连接子包括可裂解或不可裂解两种。可裂解连接子主要是二硫键、不耐酸的腙等，其释放药物取决于生理环境，比如低pH值、蛋白酶水解或细胞内高谷胱甘肽浓度等条件；不可裂解连接子主要是硫醚键，与单抗的氨基酸残基形成非还原键，在血液中更稳定，其药物释放依赖于单克隆抗体在溶酶体内的降解，需要ADC进行有效的内化和溶酶体运输过程。

3、细胞毒药物

细胞毒药物是ADC的最终疗效成分，具备强抗肿瘤活性，是ADC的“弹头”，IC50值一般在亚纳摩尔范围内，细胞毒性药物的分子和物理化学性质也是ADC有效性的决定因素。选择ADC有效载荷（细胞毒药物）的基本标准是共轭性、溶解性和稳定性。首先，药物分子结构应易于与连接子结合；此外，由于ADC是在水溶液中制备并经静脉给药，药物的水溶性和血液中的长期稳定性也至关重要。

目前ADC药物开发中常用的细胞毒性药物包括：微管蛋白抑制剂药物比如奥瑞斯他汀衍生物（MMAE、MMAF）和美登木素生物碱（DM1、DM4）等，这些药物通过对微管蛋白的解聚作用诱导细胞死亡；DNA合成抑制剂如阿霉素；裂解DNA药物如卡利霉素；烷基化DNA药物如DGN462；拓扑异构酶抑制剂SN38等。

4、药物抗体比（DAR）

药物抗体比是指连接在每个单抗上的药物分子数量，是决定ADC效力和毒性的关键。在传统的ADC中，连接子通过暴露在单克隆抗体表面的赖氨酸侧链或与在铰链区域形成链间二硫键的半胱氨酸残基与单克隆抗体骨架结合，导致DAR的高度不均一性（范围从0到8）。一般来说，高载药量可以增加ADC效价，但也可能增加脱靶效应；较高的DAR也可能增加药物清除率，从而导致药物循环半衰期降低。为了克服ADC制备过程中的异质性，可利用位点特异性偶联技术（例如工程化半胱氨酸残基、非天然氨基酸或通过糖转移酶的酶连接等）来减少不均一性并改善结合稳定性和药代动力学性质。

ADC作用机制

ADC药物口服生物利用度低，且易被消化酶降解，因此ADC的给药方式通常为静脉注射。在体内，ADC发挥效应大致经过结合靶点、释放药物、杀伤细胞等过程。

结合靶点：血液中循环的ADC发现其细胞靶点后与之结合（此步骤若发生非特异性结合将导致脱靶毒性），ADC-抗原复合物通过网格蛋白介导的内吞作用被内化并形成含有ADC-抗原复合物的早期内体，早期内体最终成熟为晚期内体，并与溶酶体融合。早期内体中依赖ATP的质子泵产生酸性环境，导致ADC药物中的单克隆抗体与内体中表达的FcRns受体结合，与 FcRn结合的 ADC被循环回到细胞表面，在生理 pH值为7.4的条件下， FcRn释放 ADC进入再循环，防止ADC错误递送时正常细胞死亡，并延长其半衰期。

释放药物：对于具有可裂解连接子的ADC，其裂解过程（如水解、蛋白酶的酶切或二硫键的还原性裂解）可能发生在早期或晚期内体阶段。然而，具有不可裂解连接子的ADC需要在溶酶体中进行完全的蛋白水解降解。溶酶体内的质子泵产生不耐酸的环境，促进组织蛋白酶B、纤溶酶等蛋白酶对ADC的降解。

杀伤细胞：ADC经过分解代谢后释放细胞毒性小分子药物，通过DNA损伤或抑制微管聚合引起细胞凋亡或其他类型的细胞死亡。当靶细胞死亡时，细胞毒性药物也可能从靶细胞排出，通过旁观者效应（Bystanderkilling e?ect）杀伤邻近的肿瘤细胞和周围基质组织，这一过程取决于细胞毒性药物的疏水性。此外，ADC药物抗体部分介导的效应功能还包括激活补体系统、触发免疫效应细胞渗入肿瘤部位、诱导补体依赖性细胞毒性和抗体依赖性细胞介导的细胞毒性（ADCC）、激活抗体依赖性细胞介导的吞噬作用（ADCP）等。

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ADC技术迭代

细胞毒药物通过干扰细胞周期，延缓或彻底阻止肿瘤细胞繁殖，但由于化疗药物也会对正常细胞进行无差别杀伤，会带来严重的副作用。21世纪以来，以小分子靶向药和抗体成为肿瘤主要的治疗方式。然而，由于小分子和抗体药物主要是特异性靶向肿瘤信号通路或者肿瘤表面抗原，而肿瘤细胞间的异质性较强，并且可以通过调低抗原或使用补偿通路实现逃逸，因此精准疗法对于肿瘤的清除效率相比化疗较为有限。目前肿瘤治疗升级的主要趋势是增强肿瘤杀伤的效力以降低最小有效剂量（MED），同时增加肿瘤选择性以升高最大限制剂量（MTD），从而提高抗肿瘤药物的治疗指数。

ADC作为化疗和抗体疗法的结合体，有望增大化疗药物治疗窗口，同时加强精准疗法的杀伤力：ADC药物的抗体部分实现了对于肿瘤的精准靶向，而细胞毒部分则进一步加强了肿瘤的杀伤能力，集化疗药物的杀伤力和精准疗法的特异性于一身，并结合了小分子药物和抗体药物的特性，有望革新现有疗法。此外，ADC药物可利用连接子的物理和化学特性，在被内化后可释放出不带电荷、可穿透细胞膜的有效载荷，从而杀伤临近的抗原表达阴性的癌细胞，进一步加强肿瘤清除效率。

从药物的构成和开发技术来看，已上市ADC药物可以分为三代。

第一代ADC有效载荷毒性不够强，且结构不够稳定毒素较易脱落，导致治疗窗口较小，大多以失败告终；

伴随抗体的发展，第二代ADC基本采用人源化单抗，并且使用更有效的细胞毒药物，免疫原性的降低和药效的提升使得药物的治疗窗口和效果相比第一代改善，但仍采用传统的非定点偶联技术；

第三代ADC药物主要的技术突破是定点偶联技术（如Thiomab、ThioBridge、非天然氨基酸技术），提升了抗体偶联比（DAR）均一性，进一步降低毒副作用并增强疗效，治疗窗口持续提升。同时，抗体优化和新型小分子（PBD、SN-38、Duocarmycin等）也加强了药物的特异性和治疗效果，并对抗原水平表达较低的细胞具有结合活性。

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ADC药物研发关键

自ADC概念提出至今已超过100年，但上市品种仍然较少且在研品种多数仍处于早期，主要原因是ADC药物开发难度较大，技术壁垒较高。ADC药物在进入体内后需要经过多个步骤才能生效，每个步骤都有需要克服的技术难点，在各个过程的技术突破都有望形成技术壁垒，增强研发竞争力。

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ADC药物研发密切依赖于特异性靶点的发现、抗体修饰技术的提升、强效细胞毒药物的开发、偶联技术的优化、以及作用机制上的整合创新，同时提高其安全性和有效性以扩大治疗窗。

1、特异性靶点发现

根据全球在研管线趋势，目前处于研发阶段的ADC药物中，研发热度最高的主要是肿瘤特异性较高并且已有上市产品的成熟靶点，例如实体瘤中的HER2、TROP2、Nectin4、EGFR，以及血液瘤中的CD22、BCMA、CD19和CD20等，这类得到验证的靶点赛道已较为拥挤。伴随基础研究的推进，目前ADC靶点的选择逐渐开始向创新靶点延伸，并基于药物作用机制的特殊性，开始探索ADC特有靶点。

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2、抗体优化

ADC使用抗体的亲和力越高，内化效率越快，但具有极高抗原亲和力的抗体会导致实体瘤穿透效率降低，会影响ADC药物到达肿瘤内部的效率。因此，抗原必须以合理的亲和力（Kd≤10 nM）被抗体识别和结合，以确保在靶细胞中快速吸收。同时，还需要考虑抗体分子量大小，当抗体分子量太大时，难以透过毛细管内皮层和细胞外间隙，抗体的分子量太小可能会影响其在体内的半衰期。

缺乏疗效和脱靶毒性是ADC药物面临的主要挑战，其中重要原因便是到达肿瘤的ADC药物较少和内化速率有限。研究人员正在通过优化抗体解决提高递送效率和内化速度的方法比如：使用双抗增强亲和力和特异性、去掉Fc端（降低分子量）提高渗透性、通过旁观者效应解决结合位点屏障。

3、改善连接子和DAR

连接子是关系到药物稳定性和治疗窗口的关键之一。连接子需要具备一定的稳定性，从而在未达到肿瘤细胞之前，能确保ADC在血液循环过程中的完整性，避免提前释放毒素导致脱靶毒性，影响ADC药物的治疗窗口，而在进入靶细胞后，连接子要确保毒素的有效释放，发挥杀伤作用。

目前ADC药物的药物抗体比（DAR）限制较为严格，有效载荷超过4就较易在血浆中聚集并被清除，而DAR的增加会直接影响ADC对于肿瘤的杀伤力，为进一步提高药物治疗窗口，降低最低有效剂量，目前连接子的主要研发聚焦在提高连接子的亲水性、增加连接子上有效载荷的承载数量等方向，比如使用基于肽键的亲水性接头和聚乙二醇化的连接子，通过增加连接子亲水性降低由于DAR增加导致的清除。

4、偶联技术

抗体与小分子的偶联方式会影响药物抗体偶联比（Drug AntibodyRatio，DAR）及ADC药物的均一性，从而影响ADC的生物学活性、耐受性及药物稳定性。如果偶联的细胞毒素过少，则会降低其生物活性和疗效；过多则增加ADC在血液中的清除率及安全性风险，同时影响抗原和抗体的有效结合，理想的DAR为2-4。

目前使用的偶联方式主要分为随机偶联和定点偶联。使用随机偶联会产生具有不同DAR的ADC的异质混合物，导致最终成品中ADC药物的有效性不一，影响药物整体疗效和剂量。而定点偶联的DAR较为明确，最终成品的一致性较高，提高治疗窗口。

ADC药物技术举例

Bispecific ADC：同时靶向肿瘤表面靶抗原的两个不同表位，提高细胞表面受体交联程度；或者同时靶向肿瘤表面靶抗原和能介导高效率内吞并进入溶酶体降解的抗原，提升细胞内吞和进入溶酶体降解的效率，从而提高细胞毒药物的递送效率；同时靶向两个不同的肿瘤表面靶抗原，提高肿瘤识别的选择性。代表产品为Zymeworks/百济神州的ZW-49，作用在HER2抗原双表位，进入临床1期。

Dual-payload ADC：精准控制递送两种药物的比例；同时递送两种具有协同效应的细胞毒药物，增强整体疗效；同时递送两种具有不同抗癌机制的细胞毒药物，降低肿瘤耐药性发生率，并获得更高的应答率，代表产品为Mersana公司的DP-ADC。

High DAR ADC：利用PEG链或亲水性聚合物链，单个抗体可递送多达10个甚至20个细胞毒药物分子，大大提高肿瘤细胞内药物浓度，有望将适用范围扩大到低表达目标抗原的患者，代表产品为Mersana公司的XMT-1536，其DAR 可达10，进展到临床1/2期。

Fragment-Drug Conjugates：用抗体片段(Fab,scFv,Diabody)和非免疫球蛋白骨架(Affibody,DARpin)代替单抗IgG，其靶向片段更小，可以改善药代动力学性质，增强肿瘤组织渗透能力，更快从正常组织和血液循环中清除，扩大治疗窗；而且其结构更简单，CMC性质更优秀，可结合抗体工程技术提高载药量。代表产品为Antikor公司的OptiLinkTM。

Probody-Drug Conjugates：利用MaskingPeptide 阻碍对抗原的识别，当Substratelinker被肿瘤微环境中特异性蛋白酶催化断裂时，可以重新暴露抗原识别区以发挥作用。该技术可以降低肿瘤外识别带来的脱靶毒性，从而扩大治疗窗，从而有望将靶点范围扩展到正常组织中表达较高的肿瘤表面抗原。代表产品是CytomX 公司的CX-2009，其靶向CD166抗原，目前已经进展到临床2期。

Non-internalizing ADCs：通过靶向肿瘤微环境中特殊抗原或非内吞性肿瘤表面靶抗原，并且连接链能在肿瘤微环境的特殊理化环境中响应断裂，释放药物到肿瘤细胞外基质中，该技术具有旁杀效应，对高突变率和低至不表达抗原的肿瘤有效，同时损伤肿瘤赖以生存的微环境，加强抗癌效果。代表产品是AbbVie 公司的ABBV-085，靶向LRRC15，处于临床1期阶段。

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随着ADC设计概念的兴起，一系列药物靶向偶联技术也逐渐兴起，通过借助靶向配体将治疗介质选择性地递送到疾病灶点处发挥治疗效果，先发企业已经建立了专利技术平台和研发生产体系，不仅能针对不同靶点和适应症进行快速开发，也有助于向各种新型偶联药物赛道上切换，诸如小分子-药物偶联物(Smallmolecule-drug conjugate，SMDC)、肽-药物偶联物(Peptide-drug conjugate，PDC)、核酸适配体-药物偶联物(Aptamer drugconjugate，ApDC)、病毒样颗粒-药物偶联物(Virus-like-particledrug conjugate, VDCs)、抗体-放射性核素偶联物(Antibody-radionuclideconjugate，ARC)等。

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ADC市场规模

根据Grandview数据，2014年全球ADC药物市场规模为4.6亿美元，随着上市药物增加，到2020年全球ADC药物市场已增长至25.1亿美元，复合增速约为32.9%。而随着效果更好并且安全性更高的ADC药物陆续上市，同时适应症拓展到更多疾病领域，ADC药物的行业规模未来仍将保持快速增长，预计2020-2025年复合增速将超过50%。

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根据Nature文章测算，2020年以前上市的10款ADC药物到2026年其销售总额将超过164亿美元。其中，由于疗效突破显著和适应症丰富，第一三共的Enhertu预计将以62亿美元的销售额位居第一位，占据约40%的市场份额。而Roche的Kadcyla由于仅限于治疗HER2+乳腺癌并且将面临生物类似药的冲击，其2026年销售额预计为23亿美元。伴随ADC开发技术的进步，未来将涌现更多相比现有疗法效果更显著的重磅药物，赛道具有较大发展潜力。

总结

ADC药物结合了单抗对肿瘤细胞的靶向性和细胞毒药物的强效杀伤能力，实现优势互补协同治疗，近几年药物的密集获批助推领域迈入爆发期。ADC药物的结构、作用过程复杂且其设计要素较多，整体技术门槛高，目前该领域技术已迭代进入3.0时代，各设计要素的整合式创新将持续驱动技术升级，未来想象空间巨大。

下篇行研继续梳理ADC上市药物、在研品种以及相关企业，敬请期待！

参考资料：

【1】中信建投证券-ADC药物：偶联时代，创新致远

【2】安信证券-创新药研究框架之ADC行业分析：高速发展，迎来初步收获期

【3】平安证券-创新药研发专题系列——ADC：从模仿转型创新之路

【4】Antibody–Drug Conjugates for Cancer Therapy. Molecules.2020Oct; 25(20): 4764.

注：本文旨在介绍医药健康行业研究进展，不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。

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文章内容 | 药圈时汇 团队

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