细胞外靶向蛋白降解：药物发现的新模式

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引言

近年来，细胞内靶向蛋白降解（iTPD）已成为小分子药物开发的一种重要的新模式。第一类称为蛋白质水解靶向嵌合体（PROTACs），通过构建双功能小分子，募集感兴趣的药物靶蛋白（POI）和用于蛋白酶体降解的E3连接酶，通过蛋白酶体降解。第二类被称为分子胶，分子胶增强了E3连接酶和POI之间的相互作用，导致其泛素化和蛋白酶体降解。

与传统的抑制剂相比，iTPD具有显著的优势。首先，PROTAC或分子胶理论上可以结合POI上的任何地方，而抑制剂通常需要结合到活性或变构位点。其次，靶标的降解会去除整个蛋白质，包括其支架功能，因此该药物的治疗活性应该持续更长时间，更接近基因敲除实验的结果。第三，这些分子以催化作用，而不是像经典的药理学抑制剂以化学计量作用，因此较低的剂量可以达到相同的治疗效果。

iTPD的进展启发了生物学和化学界以细胞外蛋白质为靶点，称之为细胞外TPD（eTPD）。除了目标POI的位置之外，iTPD和eTPD之间至少有三个显著的区别。首先，细胞通过两个主要途径回收蛋白质：蛋白酶体和溶酶体途径。iTPD几乎只通过蛋白酶体途径，该途径通常用于处理细胞内蛋白质。eTPD涉及双特异性生物大分子或小分子，它们将膜结合或分泌的POI募集到膜结合循环受体，并将POI输送到溶酶体，这是细胞外蛋白降解的典型途径。

其次，这两种蛋白水解破坏模式具有不同的动力学，并使用不同的蛋白酶。iTPD更快——通常在几分钟到几个小时内，因为所有成分都在细胞内。相比之下，eTPD的速度通常较慢，通常在6–48小时，因为它涉及从膜通过早期和晚期内体的囊泡运输，并最终与溶酶体融合导致蛋白质降解。

第三，几乎所有的iTPD系统都只使用少数E3连接酶，主要是cereblon（CRBN）或von Hippel–Lindau（VHL），在寻找E3连接酶结合物方面存在挑战。这两种连接酶在组织中广泛表达，这限制了组织选择性靶向。相比之下，eTPD可以使用了多种降解系统，这允许更特异的组织选择性。最后，与典型的小分子相比，抗体的药代动力学非常长，因此给药频率较低。因此，eTPD代表了一种新兴的生物药开发的新模式。

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一、eTPD的优势

对于已有的生物药模式来说，生物药领域似乎已经有足够多的选择，如抗体、抗体偶联药物（ADC）、双特异性T细胞结合器或嵌合抗原受体（CAR）-T细胞。eTPD不太可能取代杀死癌细胞的高效方式。然而，已有的模式均有局限性，例如ADC的毒性载荷造成的附带损害，或诱导CAR-T细胞的细胞因子风暴，以及生产和给药挑战。此外，这些治疗方式仅限于膜POI，也主要用于肿瘤学中急性的危及生命的疾病。

最接近eTPD的比较物是通过功能性阻断POI发挥作用的裸抗体。抗体和eTPD都可以作用于可溶性或膜结合的靶标。然而，eTPD可能具有显著优势。首先，与通过化学计量结合阻断功能的抗体相比，eTPD可以催化降解靶标。因此，原则上，eTPD可以减少所需的剂量，当POI大量存在时，这可能是一个显著的优势。其次，eTPD和其他降解机制不仅可以完全阻断POI的单个活性位点的功能，还可以完全阻断整个蛋白质的功能，确保任何潜在的功能都被消除。事实上，在eTPD中消除了靶向功能位点，为淀粉样蛋白等打开了靶表位空间。

另一个可能不太明显的优点是，与长半衰期抗体的随机结合可以产生低水平的毒性POI，尤其是对于可溶性POI。例如，已知治疗性抗体贝伐单抗显著增加可溶性靶标血管内皮生长因子（VEGF）的循环半衰期。IL-6和其他几种与细胞因子或生长因子结合的抗体也出现了同样的情况。即使是少量的缓冲效应也可能产生矛盾的后果。在一个最早的例子中，人们发现人类生长激素受体天然脱落的胞外结构域（hGHbp）显著提高hGH的半衰期，并能增强hGH活性。因此，与简单的结合导致功能阻断相比，致病POI的eTPD降解可能具有显著的药理学优势。

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二、降解可溶性POI的清除抗体

抗体的Fc区对抗体回收和免疫细胞活化具有重要功能。新生儿Fc受体（FcRn）负责回收内化的抗体，在抗体到达溶酶体降解之前将其送出细胞，增强抗体与FcRn的结合可以将其在人类中的血清半衰期延长。

通过巧妙地设计，可以使工程化抗体通过FcRn以pH可切换的方式将POI递送到酸性内体，酸性内体释放POI进行溶酶体降解。Tocilizumab（Tcz），这是一种被批准用于治疗类风湿性关节炎的人源化抗体，与IL-6受体（IL-6R）具有pH依赖性结合。通过将Tcz重新设计成清除抗体，利用已知的突变提高了其对FcRn的亲和力，然后通过CDR的突变在pH 6.0的情况下将对IL-6的亲和力降低约20倍，同时在pH 7.4保持亲和力。修饰的抗体可以将IL-6R输送到溶酶体，同时保持与FcRn的连接，并循环回质膜以收集更多的IL-6。这将猴子的血清半衰期从1周提高到1个月。

研究表明，pH可切换抗体清除IL-6R所需的剂量比母抗体低20倍，且允许皮下注射，而不需静脉输注。pH可切换的Tocilizumab于2020年被批准用于治疗视神经脊髓炎谱系障碍，这代表了eTPD中第一个被批准的抗体。

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三、基于聚糖的循环受体eTPD

使用聚糖靶向的再循环受体，如阳离子非依赖性甘露糖6-磷酸受体（CI-M6PR）或去唾液酸糖蛋白受体（ASGPR），可以促进膜和可溶性POI的溶酶体降解。一种方法涉及CI-M6PR的多个聚糖配体与靶向POI的抗体的生物偶联，称为溶酶体靶向嵌合体（LYTAC）。LYTAC–POI复合物与CI-M6PR结合后被内化，导致POI在溶酶体中降解。另一种方法被称为MoDE或ASGPR靶向嵌合体（ATACs）的双功能小分子，被用于开发基于ASGPR的类似方法。

CI-M6PR是一个300 kDa二聚体I型受体，是pH可切换受体，其在中性pH下与配体结合，并在内涵体与溶酶体融合之前在酸性内涵体中释放。CI-M6PR已被用于将携带M6P的外源性溶酶体酶穿梭到溶酶体，以治疗溶酶体疾病。一项研究将6至8个含有甘露糖6-磷酸酯（M6Pn）的不可水解聚糖随机偶联到POI靶向抗体的赖氨酸残基上，以产生潜在的eTPD。研究表明，聚糖标记的mCherry或ApoE4抗体可以10到100倍的速率比非特异性对照更快地吸收这些可溶性配体。

ASGPR主要在肝细胞上高表达，并可快速清除非唾液酸化糖蛋白。一项研究证明，约10个拷贝的tri-GalNac与POI结合抗体的生物偶联可用于降解各种治疗上感兴趣的蛋白质。HEPG3细胞中高达70%的EGFR在24-48小时后被降解、 这与基于CI-M6PR的LYTAC的结果相当。

总之，基于聚糖的eTPD降解方法主要利用ASGPR或CI-M6PR。它们具有非常不同的组织分布；ASGPR在肝脏中高表达，而CI-M6PR更广泛地表达，但主要在免疫细胞中。事实上，聚糖对降解臂的亲和力本质上低于抗体，这需要多个糖单元和高水平的偶联。这可能在CMC上会有巨大挑战。但是尽管如此，这两种基于聚糖的降解系统提供了去除膜和可溶性蛋白质的令人兴奋的途径。

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四、基于跨膜E3连接酶靶向膜蛋白的eTPD

E3连接酶除了600–700个细胞内的成员外，还有一个约包含30多个成员的含有跨膜结构域的E3连接酶家族。利用靶向该家族成员和POI的双特异性抗体可以降解靶蛋白，被称为AbTACs或PROTAB。该家族中最具特征的成员之一是RNF43，RNF43是一种783残基的1型蛋白，包含一个200个氨基酸的胞外结构域，随后是一个跨膜结构域和一个包含E3连接酶RING结构域的胞内结构域。另一种同源物ZNRF3，具有与RNF43不同的组织分布。

一项研究构建了一种PD-L1的AbTAC，POI臂选择与PD-L1结合的atezolizumab的Fab结构域，降解臂使用RNF43胞外结构域的Fab。Atz-AbTAC采用了经典的KIH模式，Atz AbTAC诱导了PD-L1的降解，DC50为3.4nM，24小时最大降解（Dmax）约为63%，全细胞蛋白质组学显示细胞蛋白质组没有显著的总体变化，也没有显著的细胞毒性。

此外，有研究探索与跨膜E3连接酶家族结合的VHH，包括RNF43和ZNRF3，以及其他三种连接酶，RNF128、RNF130和RNF167，他们称之为通过E3泛素连接酶募集（REULR）的消除受体。研究发现，一些含有cetuximab-Fab臂的REULR抑制了A431细胞中75%的细胞增殖。一家新的初创公司InDuPro目前专注于REULR技术。

总之，已有研究表明，与跨膜E3泛素连接酶家族成员（包括RNF43、ZNRF3、RNF128、RNF130和RNF167）的双特异性分子（AbTACs、PROTABs和REULRs）可以共同选择降解一些重要的膜蛋白，如EGFR、HER2、IGF1R、PD-L1和PD1，从而达到治疗目的。

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五、基于细胞因子靶向膜蛋白的eTPD

众所周知，许多细胞因子可以通过穿梭到溶酶体而被其受体吸收和降解。这为利用eTPD的内源性机制提供了另一个机会，方法称为细胞因子受体靶向嵌合体（KineTAC）。

这种方法的第一个例子利用了诱饵循环受体CXCR7，其内化其配体CXCL12，而无需下游信号。一项研究利用CXCL12构建了atezolizumab-KineTAC，体外试验显示，24小时后观察到PD-L1水平相对于同种型对照降低约70%、48小时后降解率高达84%。类似的结果也体现在包含HER2抗体的trastuzumab -KineTAC，在MDA-MB-175VII细胞上降解HER2在24小时达到60%。

与AbTAC一样，KineTAC可以降解多种细胞类型上的广泛膜蛋白。而且与LYTAC类似，它们也可以降解可溶性蛋白，因为循环不依赖于泛素化。KineTAC似乎对降解受体起催化作用，因为研究表明，CXCR7水平在PD-L1或EGFR降解过程中不会改变。此外，POI的转录水平可以显著高于降解物，并且仍然可以有效降解。

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六、基于整合素的eTPD

受利用整合素αVβ3靶向递送抗癌药物的启发，eTPD引入了基于整合素的降解系统。这些细胞粘附分子作为细胞-细胞外基质连接的关键介质，通常在癌症中过表达。基于整合素是非常有吸引力的降解系统，因为它们能够与含有简单Arg-Gly-Asp（RGD）基序的配体结合并将其转运到溶酶体。

作为原理证明，使用整合素αVβ3-结合生物素嵌合体靶向生物素结合蛋白NeutrAvidin。该分子含有与生物素共价连接的环状RGD基序（cRGD），在20 h内成功内化A549细胞中的NeutrAvidin。此外，NeutrAvidin的内化与Lyso Tracker共定位，并可被溶酶体抑制剂阻断。BMS-8是一种与PD-L1结合的小分子，BMS-8 cRGD 嵌合体在异种移植物小鼠模型中，与单独的BMS-8相比，显著减少了体重减轻、肿瘤生长和脾脏转移。总体而言，这种基于整合素的降解系统为膜或可溶性蛋白的肿瘤选择性降解显示了令人兴奋的潜力。

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五、基于细胞因子靶向膜蛋白的eTPD

受体酪氨酸激酶（RTK）已有PROTAC靶向的研究，该PROTAC含有与各种RTK抑制剂连接的CRBN或VHL的经典E3连接酶结合物。C4 Therapeutics还开发了一种EGFR小分子降解剂（L858R）CFT8919，该药物已获得美国食品药品监督管理局（FDA）的研究新药批准。

与单独的抑制相比，受体的降解显示出几个优点。与对照相比，PROTAC对MET在降低细胞活力方面更有效，并且在冲洗后反应持续，表明反应持久。此外，降解诱导了较少的激酶重新布线，这是RTKs经典抑制剂的常见抗性机制。降解机制被证明是完全依赖于蛋白酶体的，并且出乎意料地不依赖于网格蛋白。

总之，研究表明，使用与VHL或CRBN结合的PROTAC可以从内部降解RTK。降解动力学比其他PROTAC稍慢，就IC50值而言，PROTAC化合物的效力不如生物制剂，并且似乎受到进入细胞内连接酶所需的细胞渗透的显著限制。尽管仍处于初级阶段，但使用靶向膜蛋白细胞内结构域的PROTAC已显示出应用潜力。

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结语

eTPD领域尚处于起步阶段，仍有许多重要问题需要解决。eTPD在哪些靶标方面具有明显优势？最重要的POI是什么？在哪些治疗领域？这些对慢性病或急性病更有用吗？eTPD主要针对可溶性或膜POI，还是同时针对两者？安全有效的eTPD药物的组织选择性有多重要？eTPD将形成什么类型的耐药性机制，与其他药物模式相比，对eTPD药物的耐药性是否更可能出现？这些问题亟待解答。

在某些方面，eTPD让人想起飞机的发展过程。早期人们设计了许多巧妙的飞行器，包括人形或电动的鸟类装置，以及多翼和固定翼飞机。尽管存活下来的设计很少，但多样性对于推进技术并最终实现成功设计的广泛商业化至关重要。对于eTPD领域来说，这是一个激动人心的时刻，预计未来还会有更多的发现。

参考资料：

1.Extracellular targeted protein degradation: an emerging modality for drug discovery. Nat Rev Drug Discov.2023 Dec 7