臨床上使用的大多數(shù)藥物都是基于小分子的。與傳統(tǒng)的小分子抑制劑和拮抗劑不同,蛋白質(zhì)降解技術(shù)由于能夠誘導治療靶點蛋白質(zhì)的降解,近年來發(fā)展迅速,為新藥的開發(fā)提供了新的思路。
PROTACs(PROteothesis-Targeting Chimeras)的概念最早由Crews等人提出。 2001年,PROTACs可以利用體內(nèi)天然的蛋白質(zhì)清潔系統(tǒng)來降低蛋白質(zhì)水平而不是抑制蛋白質(zhì)功能,從而治愈疾病。 PROTAC是一種異雙功能分子,看起來像啞鈴,分子的一端連接到結(jié)合靶蛋白的配體,一端連接到E3泛素連接酶,中間有合適的接頭。 PROTAC對目標蛋白的降解是通過泛素蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)實現(xiàn)的:PROTAC分子與目標蛋白(POI)和E3連接酶結(jié)合形成三元復合物,對目標蛋白進行泛素化標記,泛素化蛋白被泛素化酶識別并降解。細胞內(nèi)蛋白酶體26S。
2022年6月9日,清華大學饒宇教授團隊在Nature旗下Signal Transduction and Targeted Therapy雜志上發(fā)表了題為“ PROTACs:學術(shù)界和工業(yè)界的巨大機遇(2020年至2021年更新) "的綜述文章,詳細介紹了 近兩年PROTAC技術(shù)的研究進展,總結(jié)了PROTAC針對癌癥、病毒感染、免疫疾病、神經(jīng)退行性疾病的代表性新靶點。
近20年來,PROTAC領域進入了快速發(fā)展期,特別是2015年以Pomalidomide為E3連接酶配體的dBET1 PROTAC成功降解BET蛋白以來,近兩年PROTAC相關研究論文不斷涌現(xiàn)。經(jīng)歷了爆發(fā)式增長。 2019年,饒宇團隊總結(jié)了40多個據(jù)報道被PROTAC降解的蛋白質(zhì)靶點。近兩年新增了約90個可被PROTAC降解的蛋白靶點,涵蓋癌癥、免疫紊亂、病毒感染、神經(jīng)退行性疾病等疾病領域,其中癌癥是主要應用領域。
圖2.近兩年PROTAC相關研究的快速發(fā)展
(Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.)
據(jù)統(tǒng)計,基于PROTAC技術(shù)的不同降解劑可降解約54種激酶,占總靶點的45%。激酶已被優(yōu)選作為蛋白質(zhì)降解的靶標,主要是因為大多數(shù)激酶具有已知且有效的抑制劑或配體,可以輕松修飾以連接接頭并保持足夠的結(jié)合親和力。此外,激酶具有深層結(jié)合袋,可促進 PROTAC 的結(jié)合,從而誘導激酶與 E3 連接酶的相互作用,進而泛素化并最終降解激酶。此外,盡管激酶蛋白具有高度同源性,PROTAC 仍可以選擇性降解不同激酶亞型。
迄今為止,已發(fā)現(xiàn)518種激酶,參與細胞生存、增殖、分化、凋亡、代謝等多種生理調(diào)節(jié)過程。如下圖所示,這些激酶根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能可以分為九類,即受體酪氨酸激酶(RTKs)、TKL激酶(TKLs)、STE激酶(STEs)、CAMK激酶(CAMKs)、AGC激酶(AGC)、CMGC 激酶 (CMGC)、非典型蛋白激酶、CK1 激酶 (CK1) 等。其中,紅色標記的是人類可降解激酶,具有現(xiàn)有的PROTAC降解劑。受體酪氨酸激酶(RTK)和CMGC激酶(CMGC)的PROTAC降解劑最為發(fā)達,分別有19個和14個,占總數(shù)的一半以上。相比之下,CK1 激酶 (CK1) 和 CAMK 激酶 (CAMK) 尚未開發(fā)出 PROTAC 降解劑。
圖 3. 基于 PROTAC 技術(shù)的可降解人類激酶及其分類
(Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.)
由于PROTACs是在POI抑制劑的基礎上發(fā)展起來的,因此仍然存在一定程度的脫靶效應。由于PROTAC的分子量較大,其細胞膜通透性差和藥代動力學(PK)特性大大降低了其生物學和治療效果。此外,有些PROTAC雖然能有效誘導靶蛋白降解,但其生物學作用較弱,對疾病沒有有效作用。最后,大多數(shù)蛋白質(zhì)沒有相應的小分子綴合物來設計PROTAC,例如在疾病發(fā)展中發(fā)揮重要作用的轉(zhuǎn)錄因子。由于轉(zhuǎn)錄因子的抑制劑很少,因此在設計靶向轉(zhuǎn)錄因子的PROTAC時沒有可用的粘合劑。這極大地限制了PROTAC技術(shù)的應用。 為了解決上述問題,近年來出現(xiàn)了不同類型的PROTAC技術(shù),例如抗體-PROTAC、適體-PROTAC綴合物、雙靶點PROTAC、葉酸籠式PROTAC和TF-PROTAC。
Antibody-PROTAC是一種探索新型抗體-PROTAC綴合物與抗體組裝的新策略。該技術(shù)能夠?qū)Σ煌毎徒M織中的蛋白質(zhì)進行特異性降解,從而優(yōu)化治療窗口,減少廣譜 PROTAC 的副作用,并增加其作為藥物或化學工具的潛力。
適配體是具有復雜三維結(jié)構(gòu)的單鏈核酸,主要包括莖、環(huán)、發(fā)夾和G4聚合物。它們通過氫鍵、范德華力、堿基堆積力、靜電效應等特殊作用與靶蛋白結(jié)合,具有較高的特異性和親和力,可提高傳統(tǒng)PROTAC的水溶性、膜通透性和腫瘤靶向性。
在癌癥的發(fā)生和發(fā)展過程中,通常有多種因素共同作用,包括不同種類的激酶和生長因子,它們可以獨立作用,也可以通過信號網(wǎng)絡相互干擾。該方法主要是設計一個結(jié)合兩個或多個藥效團的單一分子,同時靶向兩個或多個抗腫瘤靶點。
葉酸受體 α (FOLR1) 在正常組織中表達較低,但在許多人類癌癥中表達較高。葉酸籠式 PROTAC 是另一種提高 PROTAC 靶向特異性的技術(shù)。基本原理是將葉酸基團引入PROTAC分子中,實現(xiàn)在靶細胞和組織中的釋放。該技術(shù)中,葉酸通過細胞內(nèi)源性水解酶的作用釋放出活性PROTAC,然后降解劑誘導目標蛋白的降解。
轉(zhuǎn)錄因子(TF)是一類參與基因表達和調(diào)控的蛋白質(zhì),也是癌癥治療的潛在靶點。與傳統(tǒng)激酶不同,轉(zhuǎn)錄因子不具有激酶或其他酶中常見的活性口袋或變構(gòu)調(diào)節(jié)位點,這使得它們難以被小分子抑制劑靶向。由于TF可以結(jié)合特定的DNA序列并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程,因此理論上可以靶向具有不同DNA序列的TF而不是小分子抑制劑。因此,TF-PROTAC將靶向蛋白的小分子配體替換為相應的DNA序列,從而形成TF-PROTAC,靶向特異性TF,并誘導其降解,從而調(diào)節(jié)特異性TF的水平和生物學功能。
與其他藥物和療法相比, PROTACs具有許多潛在的優(yōu)勢,例如廣泛的組織分布和口服給藥。與其他療法(如細胞療法、抗體藥物等)相比,PROTAC的生產(chǎn)工藝更為簡單。與小分子藥物相比,PROTAC可以靶向更多小分子藥物無法靶向的靶點,從而產(chǎn)生更好的療效。因此,PROTAC技術(shù)受到業(yè)界高度關注,并開始應用于癌癥、免疫紊亂、病毒感染、神經(jīng)退行性疾病等藥物研發(fā),其中以癌癥領域的應用為主一。
PROTACs作為一項新興且有前景的技術(shù),在以下方面顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
首先,PROTAC 對耐藥靶點表現(xiàn)出異常的敏感性。傳統(tǒng)上,化療一直是癌癥治療的主要手段,但化療藥物的獲得性耐藥性阻礙了臨床應用并導致疾病復發(fā)。后來開發(fā)出激酶抑制劑,免疫療法也暴露了耐藥性的問題。由于PROTAC通過清除整個靶蛋白來影響蛋白功能,包括酶促活性功能和非酶促功能,因此該技術(shù)有望解決當前治療面臨的潛在耐藥性。
其次,PROTACs有潛力瞄準“不可成藥的目標"。大多數(shù)小分子藥物或大分子抗體需要與酶或受體的活性位點結(jié)合才能發(fā)揮作用;然而,據(jù)估計,人體細胞中 80% 的蛋白質(zhì)都缺乏這樣的位點。 PROTAC 可以通過任何角落和縫隙抓住目標蛋白質(zhì)。
第三,PROTACs可以影響非酶功能。傳統(tǒng)的小分子藥物通常通過消除其靶標的酶活性來發(fā)揮作用。越來越多的研究表明,PROTACs具有擴大靶點“可成藥空間"并控制蛋白酶和非酶功能的潛力。
PROTAC 與其他治療技術(shù)的比較
(來源:信號轉(zhuǎn)導和靶向治療)
Arivinas由Craig Crews創(chuàng)立,進行 PROTAC技術(shù)的藥物開發(fā)。 近兩年, Arivinas公司開發(fā)的針對雄激素受體(AR)的PROTAC抑制劑ARV-110和針對雌激素受體(ER)的PROTAC抑制劑ARV-471在前列腺癌和乳腺癌中得到了臨床驗證,分別是PROTAC技術(shù)應用的里程碑。
除了作為研究工具外,PROTAC 在疾病治療方面也具有巨大的應用潛力。它已成為一種新的藥物發(fā)現(xiàn)模式,有潛力將傳統(tǒng)藥物發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌闹匕醑煼?。截?022年3月,如下表所示,全球已有十余種PROTAC藥物進入臨床開發(fā)階段。其中Arvinas的ARV-110和ARV-471已進入臨床II期,是PROTAC藥物中臨床進展最快的。
表1. 全球臨床和IND階段基于PROTAC技術(shù)的蛋白降解候選藥物匯總
(Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.)
與其他藥物和療法相比,PROTACs具有許多潛在的優(yōu)勢,例如廣泛的組織分布和口服給藥。與其他療法(如細胞療法、抗體藥物等)相比,PROTAC的生產(chǎn)工藝更為簡單。與小分子藥物相比,PROTAC可以靶向更多小分子藥物無法靶向的靶點,從而產(chǎn)生更好的療效。因此,PROTAC技術(shù)受到業(yè)界高度關注,并開始應用于癌癥、免疫紊亂、病毒感染、神經(jīng)退行性疾病等藥物研發(fā),其中以癌癥領域的應用為主一。由克雷格·克魯斯 (Craig Crews) 創(chuàng)立的阿里維納斯 (Arivinas) 是第一個推出該藥物的公司PROTAC技術(shù)的發(fā)展。近兩年,Arivinas公司開發(fā)的針對雄激素受體(AR)的PROTAC抑制劑ARV-110和針對雌激素受體(ER)的PROTAC抑制劑ARV-471在前列腺癌和乳腺癌中得到了臨床驗證,分別是PROTAC技術(shù)應用的里程碑。
盡管PROTAC在過去20年中發(fā)展迅速,但仍有許多挑戰(zhàn)需要解決。這些挑戰(zhàn)主要來自兩個方面,即PROTAC分子設計和成藥性的優(yōu)化,以及生物活性的綜合評價。第一個是關于 PROTAC 的分子設計和成藥性,涉及靶蛋白配體、新的 E3 連接酶配體和新的接頭。二是生物活性評價,涉及PROTAC分子的篩選、成藥性評價和藥理評價。這些問題目前還沒有現(xiàn)成的答案,但相信隨著更多生物學、藥理學和臨床研究的發(fā)展,新的評價方法和體系將逐步建立來解決這些問題。相信未來會有越來越多的PROTAC進入臨床前和臨床研究,這將進一步測試PROTACs的治療效果。預計未來PROTAC技術(shù)將為人類疾病治療和生命健康帶來裨益。
PROTAC 開發(fā)中常用的接頭是 PEG。Biopharma PEG是一家專業(yè)的PEG衍生物供應商,提供多功能PEG衍生物作為PROTAC連接體。我們擁有 3000 多種高純度PEG 連接體庫存,為客戶的制藥和生物技術(shù)研發(fā)領域的聚乙二醇化、生物共軛、ADC 藥物開發(fā)提供支持。