全球熱頭條丨突破不可成藥靶點的PROTAC技術解讀

PROTAC(Proteolysis Targeting Chimera)蛋白靶向降解嵌合體，是通過泛素蛋白酶體系統誘導靶向蛋白降解的一種全新技術。用來清除腫瘤細胞內的特定蛋白，使其不能發揮致癌作用，以達到腫瘤治療的目的。癌癥從本質上來說是一種基因病，幾乎所有的癌癥都源于基因突變，除了手術切除、放療和化療外，分子靶向技術也在迅速發展。基因突變所產生的致癌因子，對腫瘤的生長起著十分關鍵的作用。而PROTAC分子可以直接將致癌因子清除，從而靶向治療腫瘤。PROTAC分子由三種元素組成，E3泛素連接酶配體、靶蛋白配體和連接子Linker。E3泛素連接酶配體負責特異性招募E3泛素連接酶。靶蛋白配體用于靶向和捕獲目標蛋白。Linker用于結合這兩個配體形成穩定的三元復合物。因此PROTAC分子能夠將E3泛素連接酶募集到靶點蛋白附近，為靶點蛋白貼上"泛素"標簽，而在細胞上打上泛素標簽的蛋白將被送入蛋白酶體進行降解。這樣PROTAC分子就能夠特異性的促進致病蛋白的降解。

對于PROTACR的研究是從2001時開始有逐漸的報道，在2017年之后出現了研究的井噴狀態。

(資料圖)

傳統小分子藥物研發面臨的困境和挑戰

根據Global Data報告Look Ahead to 2022 -The Future of Pharma，預計未來5年生物制劑的銷售額將大大超過創新小分子藥物的銷售額。預計到2027年，生物制劑的銷售額將比小分子銷售額高出1200億美元。

相關文獻報道與疾病相關靶點蛋白有62%是不可成藥的，還有25%約有1200多種不是適合作為藥物靶點的。已經有藥物上市的靶點占據13%。所以市面上能夠上市銷售的成藥靶點藥物占比是很低的，很多跟疾病相關的靶點蛋白是不可成藥的。所以綜上所述，小分子藥物的市場份額逐漸減少，也是由于小分子藥物的研發起步早，相對簡單，比較早的被發現，但成藥靶點發現緩慢，小分子藥物發現增速降低了。大量難成藥的靶點沒有合適的藥物去治療。而且化藥在治療過程面臨著靶點的基因突變盡而帶來耐藥性。小分子降解劑的發展，尤其是蛋白降解靶向嵌合體（PROTACs），使得靶向不可成藥的蛋白靶點或耐藥突變靶點成為可能。

PROTAC成藥特點，突破不可成藥靶點及耐藥

細胞內蛋白降解的兩大系統，在真核細胞中負責蛋白質和細胞器降解的兩大系統分別是泛素蛋白酶體系統和自噬溶酶體系統。泛素蛋白酶體系統將體內錯誤折疊的可溶性蛋白，它被泛素E3連接酶貼上了泛素（Ub）的標簽，被貼上泛素標簽的蛋白可以直接結合蛋白酶體的泛系受體而被降解，也可以結合到運輸載體上通過載體的PBD端與蛋白酶結合，進而被降解。

PROTAC無需與靶蛋白高強度結合，可靶向蛋白范圍擴大，它與小分子藥物作用機制的區別是，它是"事件驅動"，觸發靶蛋白與E3連接酶的結合，無需直接抑制靶蛋白的功能活性，只要能給靶蛋白貼上泛素標簽基本上就算是成功了，也無需跟靶蛋白長時間和高強度的結合。

PROTAC它是促使靶蛋白降解之后可以從復合物中解離進入下一個催化循環，因此根據這一特點有可能將來用藥的頻率和劑量都相對于小分子藥小很多。PROTAC跟蛋白的結合不需要很高的結合活性，因為有催化的性質，就可以用低劑量很長的周期給藥的特點。

而小分子是一定要"占位驅動"的形式，一定要連接到靶蛋白的某一結構域上形成一個穩定的連接，從這種關系上來說，小分子化藥一定要有很強的活性，才可進入藥物的開發過程。小分子藥物是需要足夠多的劑量使靶點飽和，并且需要足夠長的半衰期能夠長久持續抑制靶蛋白。

PROTAC克服靶點耐藥潛力明確

化藥在治療腫瘤時后期會由于腫瘤基因突變導致化藥的耐受，理論上PROTAC分子是可以避免這樣的情況發生的。

PROTAC選擇性不同于TKI（洛氨酸激酶抑制劑），PROTAC分子除了發揮與靶蛋白結合之外，還需要使靶蛋白與E3連接酶保持穩定的空間構象才能完成泛素化反應。這相當于對蛋白選擇性的篩選。例如多激酶抑制劑Foretinib在竟爭性結合實驗中對100余種激酶具有較強的抑制活性（選擇性差），而基于Froetinib設計的PROTAC分子可以結合54種激酶（選擇性有所提高），但最終只能降解＜15種激酶（選擇性大幅提高），PROTAC在某些靶點上有潛力實現更高的選擇性，從而避免"off target"帶來的正毒副作用。

PROTAC引發蛋白降解后即從復合物中分離，并進入下一個催化循環，藥物作用效率高，可快速將細胞內靶蛋白降解，并且細胞內疾病蛋白合成速度較為緩慢，即便經過代謝后PROTAC在體內清除細胞仍需要較長的時間將靶蛋白恢復至發揮生理作用的水平，從而有望延長藥物作用時間，因此PROTAC有望在低藥物劑量低給藥頻率下實現持久的療效，這一潛力在臨床前研究中已得到初步證實，一款靶向RIPK2的PROTAC降解劑動物給藥168h后，體內血藥濃度已降到10ng/ml以下，而此時RIPK2蛋白仍然可以維持較低含量，致炎因子TNFα也維持在較高的抑制水平。

機遇和挑戰

Linker的設計合成需要復雜的優化過程，目前報道的PROTAC分子中，Linker的選擇以聚乙二醇和烷基鏈為主，但線性脂肪鏈或醚結構有被氧化代謝的風險，大大減少了藥物暴露濃度和時間，加快PROTAC分子排出體外，其它的Linker還有烷烴、三唑、哌嗪、哌啶等，Linker的設計與選擇對于PROTAC分子的成藥性非常重要，以ARV-771為例，其采用醇類作為Linker時對BRD4蛋白展現出較好的降解能力，但當把Linker換成長度相當的含有芳香環的結構時，盡管靶蛋白和E3連接酶配體沒有改變，但其不再對BRD4展現出降解能力。

當前研究的PROTAC分子集中于靶向BET、AR、BTK等成熟靶點，仍有大量病理機制明確的蛋白未被探索，泛素-蛋白酶體降解途徑發生于細胞內，膜表面蛋白（約占編碼蛋白的20%）的胞內結構域很難找到合適的口袋供小分子配體結合，PROTAC分子在膜蛋白降解領域尚未取得技術突破，亞細胞結構內的靶點例如核內蛋白、細胞器蛋白等也是PROTAC技術的潛力發揮作用的領域。許多中樞神經系統（CNS）靶點被認為是"Undruggable"，且血腦屏障的存在使治療藥物難以達到病灶，阿爾茲海默癥等神經退行性疾病以及中樞神經系統慢性炎癥尚無有效治療藥物，存在大量未滿足臨床需求、蛋白降解劑有望通過降解中樞神經系統的致病蛋白如Tau/Alpha-synuclein/Huntingtin等帶來差異化的治療效果，有潛力克服現有療法的局限性。包括小核酸藥物、抗體等。

高通量評價PROTAC活性手段有限

由于PROTAC分子在體內能以亞化學劑量發揮催化循環作用，因此傳統的藥化動力學（PK）、藥效動力學（PD）方法不能很好的評估PROTAC的PK和PD性質，針對PROTAC分子目前尚于成熟的PK/PD評價體系，量效關系、時效關系的規律尚未完全掌握，蛋白降解所致的毒 性尚未透徹了解，在驗證靶標蛋白是否被成功降解上，傳統方法如免疫印跡、ELISA以及質譜存在耗時、價格昂貴、通量低的缺點，熒光信號是具有潛力的可行替代方法。高通量評價PROTAC活性的檢測方法亟待開發。

分子膠（Molecular Glue Degraders）

分子膠降解劑（Molecular Glue Degraders,MGDs）是另一類可以誘導泛素E3連接酶復合體/底物受體與靶蛋白相互作用的小分子。MGD可以拉近致病蛋白與E3連接酶的空間距離，增強原本具有的PPI或促進形成新的PPI。從而使得被泛素化的致病蛋白被蛋白酶所降解，免疫調節劑（IMiDs）沙利度胺、來那度胺、泊馬度胺等是典型的分子膠，其發揮治療腫瘤作用機制之一就是通過分子膠水的作用介導IKZF1/3(淋巴細胞增殖關鍵國轉錄因子)降解。

PROTAC與MGD均通過泛素-蛋白酶體途徑介導靶蛋白降解，但二者分子設計及作用機制存在顯著不同。PROTAC分子是由靶蛋白配體、Linker、E3連接酶彈頭共價結合形成的異雙功能三無復合物，其分子量較大，打破了藥物設計的5類原則。MGD是單價小分子，分子量較小，符合5類原則。PROTAC分子直接與靶蛋白結合因此需要結合口袋，MGD通過與E3連接酶結合形成的位點與靶蛋白相互作用，自身無需具備直接與靶蛋白結合的口袋。相較于PROTAC分子，MGD具有較高的細胞通透性和更好的口服吸收。目前較為成熟的蛋白降解技術，PROTAC與分子膠均依賴于蛋白酶體系統，而基于自噬/內體-溶酶體系統（機體另一重要的蛋白降解系統）去開發新型蛋白降解劑同樣成為研究熱點。基于溶酶體的蛋白降解技術主要包括，溶酶體靶向嵌合體（LYTAC）、自噬體靶向嵌合（AUTAC）、自噬小體偶聯技術（ATTEC）等，該類技術有望與現在蛋白降解劑形成互補，拓展可降解靶點范圍。