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肿瘤免疫治疗中的双特异性抗体(一)

2021.7.08

随着免疫检查点抗体CTLA-4,PD1,PD-L1在肿瘤免疫治疗领域取得成功,目前,更具安全性和有效性的双特异性抗体已经崭露头角,并且,正在以惊人的速度增长。本文将主要描述3类免疫治疗双特异性抗体:(a)毒性效应细胞重定向;(b)靶向肿瘤免疫调节剂;(c)双免疫调节剂。毒性效应细胞重定向双特异性抗体以T细胞重定向为主,这类双特异性抗体同时靶向肿瘤相关抗原和TCR/CD3复合物,重定向杀伤性T细胞到恶性肿瘤细胞。这也是目前最成熟的双特异性抗体免疫疗法,已有两种双特异性抗体上市,还有几种该类双特异性抗体处在临床试验阶段。肿瘤免疫调节剂双特异性抗体指的是一类同时靶向肿瘤抗原和免疫调节受体的双特异个性抗体,比如靶向CD40或4-1BB,该类双特异性抗体通常设计为失活状态,直到结合肿瘤抗原才被激活,因此,通常定位于肿瘤微环境的免疫刺激,最小化其它地方的免疫激活效应。这一设计旨在有效的激活肿瘤特异性T细胞,减少免疫相关副反应。最后,双免疫调节剂是一种结合两种不同免疫调节靶点的双特异性抗体,例如靶向PD-1或PD-L1结合靶向LAG3或TIM3,双靶点。其原理是同时诱导对同一细胞表面不同靶点的免疫强于单克隆抗体。本文将描述以上3类双特异性抗体,并举例说明双特异性抗体的研发。

介绍

在过去的几年里,抗体免疫疗法给肿瘤治疗到来了革命性的改变,这主要体现在超级耐受和长期生存的明显改善。第一款上市的肿瘤免疫治疗抗体是针对CTLA-4的免疫抑制剂ipilimumab ,2011年获准治疗黑色素瘤,紧随其后的是2014年上市的PD-1抗体nivolumab 和pembrolizumab ,以及2016-2017年上市的PD-L1抗体atezolizumab, avelumab 和durvalumab ,截止目前,肿瘤免疫治疗抗体已获准适用于多种肿瘤类型,包括黑色素瘤,霍奇金淋巴瘤,默克尔细胞腺瘤,非小细胞肺癌,头颈癌,肾癌,膀胱癌,结肠癌,肝癌,胃癌和食管癌。

在转移性黑色素瘤中,长期存活(超过三年),ipilimumab抗体治疗响应率接近20%,PD-1抑制剂响应率在35-50%。尽管单克隆抗体免疫治疗取得的成绩是喜人的,但是不可否认的是绝大多数患者对于单抗免疫治疗仍然无反应。另外,免疫相关不良事件如结肠炎,腹泻,皮肤毒性,内分泌病,肝毒性,肺炎等限制了免疫治疗单克隆抗体在临床中的应用。联合疗法似乎比单一疗法更能提高患者的长期存活率,但疗效的提高是以副作用为代价的。

双特异性抗体在临床有效性和安全性方面更具潜力,因此被称为下一代免疫疗法。近年来,双特异性抗体有了长足的发展。目前,已有众多双特异性抗体处在临床和临床前研究阶段。这里面占据主导位置的双特异性抗体还是靶向CD3,T细胞重定向和靶向肿瘤抗原的双特异性抗体。这一概念建立在这样一个事实上,即双特异性抗体将通过CD3结合并激活T细胞,并通过肿瘤抗原结合特性将这些T细胞重定向到肿瘤区域。这种方法的一个明显缺点是CD3会不加选择地招募T细胞。因此,我们现在看到第二代双特异性抗体的出现,新的方法正在探索,以实现更有选择性的招募和激活肿瘤特异性T细胞,或更强大的免疫调节靶向两个不同的免疫调节途径。

肿瘤免疫治疗中双特异性抗体的理论基础

双特异性抗体可以看作是两种治疗药物合并成一个更好的实体,拥有两种药物的效果。表面上来看,这似乎已经达到了双特异性抗体的最终目的,但仅仅是两种抗体的简单组合是远远不够的。事实上,大多数公司开发双特异性抗体的目的是产生一种性能优于两种单特异性药物组合的药物,或者是创造一种仅靠单特异性抗体混合物无法实现理想治疗疗效的药物。

因此,双特异性抗体的评判标准是很高的,这就意味着双特异性抗体药物的研发所需要考虑的因素较传统单克隆抗体药物研发还要多的多。为了获得理想的临床效果和安全性,同时考虑到可开发性和制造成本,不同形式的双特异性抗体的固有属性必须仔细考虑比较。此外,双特异性抗体针对两个靶点的剂量控制不能像联合用药一样自由控制,都需要提前考虑两个靶点抗体相对亲和力的比例。另一方面,双特异性抗体较同时研发两种单克隆抗体药物复杂程度和工作量上有所降低,例如,在建立剂量考虑方面无需考虑二者联合用药的比例。除此之外,每一个双特异性抗体药物的研发都必须基于合理的生物学原理。

双特异性抗体较单抗联合用药的最大益处在于有效性和安全性。双特异性抗体一定程度上提升了有效性。其中一种设计理念是细胞毒性效应细胞的重定向作用,包括T细胞或NK细胞的重定向,该类双特异性抗体使得毒性效应细胞重定向于表达特异性肿瘤抗原的恶性肿瘤细胞。另一个类似的设计理念是靶向肿瘤免疫调节剂,该类双特异性抗体主要集中在激活肿瘤区域的药理学作用,因此与全身的系统免疫调节相比更具有效性,而且毒副作用相对较低。第三种设计理念是双免疫调节剂,该类双特异性抗体可以同时激活两个不同的调节通路,类似于两种药物的联用,同时也赋予了额外的协同作用,起到了两种药物联用无法企及的新的生物学效应。例如,增加细胞与细胞的相互作用,共刺激受体的聚集,可以增加免疫突触的稳定性,从而触发下游信号通路。

影响双特异性抗体效应的因素

双特异性抗体的功能特性,以及最终的临床成功取决于三个主要因素:(1)生物学原理;(2)双特定抗体的形式;(3) Fc结构域的存在与否在及其性质。

生物学原理

生物学原理考虑了生物学靶点,功能模型,以及结合特性。对于靶向肿瘤抗原,T细胞或NK细胞重定向的双特异性抗体构建来说,肿瘤抗原的靶点选择非常重要。肿瘤抗原的表达模式影响着双特异性抗体的安全性和有效性,理想的肿瘤抗原在肿瘤细胞表面高表达,而在正常组织中不表达。其次,首选的免疫激活靶点,需要适应肿瘤抗原和靶点适应症的选择。例如,可以提出这样的假设,利用CD3激活的T细胞重定向可能更适合于血液肿瘤,像临床药物blinatumomab 和catumaxomab 那样发挥临床作用,尽管目前的一些在研双特异性特异性抗体希望能够解决实体瘤治疗的问题。相对比,靶向4-1BB可以有效即激活肿瘤特异性浸润T淋巴细胞,可能更适宜于实体瘤治疗,通过靶向4-1BB,靶向肿瘤免疫调节,优先激活浸润肿瘤T细胞,达到治疗实体瘤的目的。对于双调节的双特异性抗体,相对于两个单靶点药物联合使用来说,双靶点可诱导超级免疫效应,这是很重要的一个方面。有时候双特异性抗体两个靶点的选择很难预测,需要大量的筛选双特异性抗体,以达到理想的双特异性抗体的治疗疗效。最后,两个靶点的亲和力以及病人两个靶点分子的表达分度同时影响着双特异性抗体效应的安全性,用药剂量等。例如,T细胞重定向的双特异性抗体一般拥有针对肿瘤抗原相对CD3较高的亲和力,可以有效激活局部T细胞,降低靶向系统性CD3的毒性。

双特异性抗体的形式

双特异性抗体除了拥有各种各样的生物学功能特性外,还具有多种物理学特性,比如大小,结合价位,等电点,双特异性抗体的形式影响着双特异性抗体的功能和疗效。不同的双特异性抗体形式已在好多文章中报道过,这里不再一 一展开,但是一些代表性的形式,不同的使用方法以及潜在的影响在本文的后续内容中都有所讨论。

Fc结构域

双特异性抗体形式的选择对双特异性抗体的功能和活性都有影响,这其中很重要的一个方面是所选双特异性抗体形式中是否含有Fc段结构域。Fc段赋予了双特异性抗体更多的生物学功能,包括与新生儿Fc受体FcRn的结合延长了血清半衰期,拥有抗体依赖的细胞毒性ADCC作用,补体依赖的细胞毒性作用CDC。根据作用模型设计,灵活采用不同的方法。综合目前双特异性抗体构建的考虑,主要包括:缺乏Fc结构域的小分子双特异性抗体,同时缺乏Fc,半衰期短,保留与FcRn受体结合作用,但ADCC,CDC作用降低的突变Fc结构域,拥有野生型Fc结构域或者增强与FcγR和/或C1q亲和力作用的突变Fc结构域,一些实例将在下文中列举。

肿瘤免疫治疗双特异性抗体分类

根据生物靶点类型和作用方式,双特异性免疫治疗可分为三大类(表1):

(1)细胞毒性效应细胞重定向

(a)T细胞重定向

(b)NK细胞重定向

(2)肿瘤靶向免疫调节剂

(3)双免疫调节剂

在这些类型中,T细胞重定向免疫治疗发展最为迅速,其它两类双特异性抗体还处在临床研发阶段,除此之外的双特异性抗体还处在早期研究和发现阶段,还未进入临床试验阶段。

细胞毒性效应细胞重定向

T细胞重定向。T细胞重定向双特异性抗体主要针对肿瘤表面特异性抗原和TCR-CD3复合物,重定向毒性T细胞到恶性肿瘤细胞。在该类双特异性抗体治疗中,T细胞激活与抗原特异性无关,T细胞池中的大多数T细胞被激活(图1)。T细胞重定向的概念提出来已有很多年了,而且这一概念已很好的应用于临床,例如blinatumomab.双抗。然而,只有少部分的T细胞重定向双特异性抗体上市或者进入后期临床研究,很可能归因于其明显的毒性,制造工艺问题,免疫原性,以及在实体瘤中的低响应率。

表1.各种免疫治疗双特异性抗体的概述,包括每种抗体的例子

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T细胞重定向治疗的独特特点包括通过TCR参与,不依赖于肿瘤特异性,以及对CD3介导的激活高度敏感。另外,多数T细胞重定向治疗不依赖于共刺激因子CD28或IL-2。据推测,所谓的BiTEs分子可能在诱导的免疫突触内聚集TCR-CD3复合物,在没有共刺激的情况下触发信号。另一种假设是,记忆T细胞是T细胞重定向介导的细胞毒性的主要效应细胞,因为它们似乎需要较少的刺激就能完全激活。由T细胞重定向介导的T细胞活化可以在非常低的抗体剂量或低表达水平的肿瘤抗原下实现,每个细胞有数百至数千个肿瘤抗原。

然而,T细胞定向治疗往往具有次优的抗肿瘤作用。这些双特异性抗体可能主要对表达特定靶抗原的肿瘤细胞有效,表达低水平抗原的肿瘤细胞幸存下来,导至肿瘤仅部分被杀死,产生治疗抗性。此外,T细胞的抗原不依赖性激活导至了一个大T细胞池的快速和强大的激活,这可以解释这类双特异性抗体的毒性。对这类T细胞重定向双特异性抗体的毒性观察,有利于进一步对该类双特异性抗体T细胞激活和剂量使用机制的研究,以便支持后续治疗安全性和有效性的提升。尽管存在挑战,该类双特异性抗体近年来已有长足发展。两种T细胞重定向双特异性抗体已上市, blinatumomab (Blincyto®) 和 catumaxomab
(Removab), 2017年6月,catumaxomab退出市场。另外,目前拥有超过25种T细胞重定向双特异性抗体进入临床Ⅰ期试验,涉及的适应症包括血液肿瘤和实体瘤。

Blinatumomab 是靶向CD19-CD3的BiTE双特异性抗体,批准用于B细胞急性淋巴性白血病(B-ALL),目前正在进行其它血液肿瘤的临床Ⅰ和Ⅱ期研究,例如B细胞淋巴瘤[ClinicalTrials.gov identifier: NCT01741792] ,非霍奇金淋巴瘤[ClinicalTrials.govidentifier: NCT02811679] ,多发性骨髓瘤[ClinicalTrials.gov identifier: NCT03173430] 。该分子是串联的SCFV形式,缺乏Fc结构域,血清半衰期仅2h。短暂的血清半衰期对于该药物的毒副作用来说有利,因为体内很容易清除。然而,短暂的半衰期给用药剂量和给药方式带来了不便。治疗Blincyto的一个周期由4周连续静脉滴注接着是2周无治疗间隔期。在最近一期单药免疫治疗复发或难治性ALL的III期试验中,与化疗相比,blinatumomab显示出显著的生存获益,且血液缓解率明显高于常规化疗,生存期明显长于常规化疗。

Catumaxumab是一种EpCAM-CD3双特异性抗体,用于治疗恶性腹水。该双特异性抗体形式与Blinatumomab完全不同。该双特异性抗体是完整的全长非对称IgG形式,分别拥有针对两个靶点各自的一条轻链和重链。该双特异性抗体的两条重链和轻链分别来自于大鼠和小鼠,除了CD3介导的T细胞激活以外,该抗体还拥有FcγR介导的生物学功能,以及大鼠/小鼠源所带来的免疫原性。

表1 列出了t细胞重定向化合物的其他例子。 

NK细胞重定向。利用毒性T细胞重定向杀伤肿瘤细胞的替代是重定向毒性NK细胞到恶性肿瘤细胞。一些靶向激活毒性效应NK细胞的受体已经报道过,包括CD16 (FcγRIII), NKp30, NKp46, NKG2D, 和DNAM-1。迄今为止很少有重定向NK细胞的双特异性抗体报道。这其中的一个例子是AFM13 ,一个靶向CD30-CD16A的双特异性抗体以四价形式构造。CD16A,或者称作为FcγRIIIA ,是表达于NK细胞或巨噬细胞表面的FcγR,通过结合与抗原相互作用的抗体的Fc结构域,CD16A介导抗原表达细胞的抗体依赖性细胞毒性(ADCC)。AFM13中,重定向的NK细胞对于表达CD30的淋巴瘤细胞执行NK细胞具有的细胞毒性功能。与其他CD16结合抗体性比,AFM13具有的与CD16结合后缓慢的解离速率,延长了药物的作用时间,提高了肿瘤杀伤的效率。在Ⅰ期临床试验中,AFM13表现出明显的临床疗效,激活了NK细胞,可溶性CD30降低。另外,该双特异性抗体耐受性好,数据显示重定向NK细胞治疗在耐受性方面优于T细胞重定向治疗。AFM13 进入临床Ⅱ期研究,其它两种针对CD16A的双特异性抗体AFM24,AFM26分别靶向EGFR或BCMA正在进行临床前研究。

除了重定向双特异性抗体,一些公司还在探索研究三,四特异性策略,来提高NK细胞的激活和选择性杀伤作用。一个概念化设计TriFlex 形式,该三特异性抗体可以靶向肿瘤抗原BCMA和CD200,借助靶向CD16重定向NK细胞,起到选择性杀伤肿瘤细胞的作用。其它的一些概念化设计例子包括TriKE 和 TetraKE, 在借助CD16重定向CD16的同时,借助IL-15进一步提升NK细胞的杀伤活性。

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图1.T细胞重定向作用


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