生物大分子药物

生物大分子药物近年来，生物大分子药物发展迅猛，受到的关注也越来越多。与传统小分子药物相比，生物大分子药物具有相对分子质量大、不易透过生物膜、给药剂量低、易在体内降解等特点，这导致其具有与小分子药物不同的药代动力学特征。以蛋白多肽药物、单克隆抗体药物、抗体药物偶联物和核酸药物4类生物大分子药物为例，综述近年来生物大分子药物的药代动力学研究进展，旨在为生物大分子药物及生物类似药的研发提供参考。[关键词]生物大分子药物；蛋白多肽药物；单克隆抗体药物；抗体药物偶联物；核酸药物；药代动力学生物大分子药物是指一类利用现代生物技术方法生产的源自生物体内并被用于疾病的诊断、治疗或预防的生物大分子，狭义上也称为生物技术药物。随着分子生物学、基因工程和基因组学的研究发展，生物技术药物得以迅猛发展，其种类也日趋增多。目前生物技术药物包括DNA重组技术生产的蛋白质、多肽、酶、激素、疫苗、单克隆抗体（mono-clonalantibody，mAb）和细胞因子药物，也包括蛋白质工程技术生产的上述产品的各类修饰物，还包括用于基因治疗的基因、反义寡核苷酸和核酶及病毒和非病毒基因递送载体等。药代动力学研究对于药物的有效性和安全性评估非常重要，如选择合适的给药途径，设定合适的给药频率和给药剂量，明确药物是否可以到达相应的靶器官等。但不同于传统的小分子化学药物，生物大分子药物具有相对分子质量大、不易透过生物膜、给药剂量低、易在体内降解等特点，使其在生物体内的处置过程变得更为复杂（见表1），也给药代动力学研究提出了新的挑战。本文将分别围绕蛋白多肽药物、mAb药物、抗体药物偶联物（antibody-drugconjugate，ADC）和核酸药物，对其药代动力学特点进行分析和讨论。1生物大分子药物的体内吸收生物大分子药物包括蛋白多肽药物、核酸药物、ADC药物和mAb药物等，与传统小分子药物（相对分子质量为200~700）相比，其相对分子质量（1500~150000）较大，不易被吸收，同时存在口服后易被消化道酶降解破坏的问题，各种生物大分子药物在吸收方面存在许多相似的特点，在此一并阐述。1.1给药方式的选择由于存在不易被吸收、消化道降解等问题，生物大分子药物口服给药后生物利用度极低。目前绝大多数生物大分子药物均选用肠道外方式给药，主要以静脉注射方式给药，其次是皮下注射给药，少数也可以肌肉注射给药。静脉注射给药时，血药浓度迅速达到峰值，但易产生安全性问题，同时长期多次静脉注射给药存在患者耐受性不好等问题，另外静脉注射给药一般需要在医疗机构完成，容易带来较高的费用。为了解决生物大分子药物给药途径带来的问题，研究主要集中在2个方面：一是如何实现生物大分子药物的口服用药；二是不同给药方式的药物吸收机制研究。大量研究集中在前者，如近期发现羧甲基纤维素-弹性蛋白（CMC-EIa）作为蛋白酶抑制剂可以很好地抑制胰蛋白酶、弹性蛋白酶等的活性；吸收促进剂如脂肪酸、胆盐等，可以可逆性地打开紧密连接而提高胰岛素的渗透性。但蛋白酶抑制剂容易造成体内蛋白酶的缺乏，而吸收促进剂容易损坏生物膜造成局部炎症。此外，载药系统如纳米、微球、脂质体以及衍生化或化学修饰也是研究如何实现生物大分子药物口服用药的主要方法。环孢素是一种预防同种异体器官或组织移植发生排斥反应的药物，特殊的环肽结构使得其口服后具有较好的生物利用度。一项meta分析数据表明，山地明（环孢素的普通制剂）是新山地明（环孢素微乳化口服液）生物利用度的76%，其药时曲线下面积（AUC）显著低于新山地明，提示新型载药系统可以有效提高蛋白多肽药物的吸收。但总体上成功案例很少，还处于研发与探索阶段。1.2皮下给药的淋巴转运1958年Malek等首次发现外源性大分子物质可以通过淋巴转运，之后抗体等的淋巴转运也开展了相关研究。研究发现，皮下注射给药时，大分子药物可以通过组织间液的对流运输进入淋巴循环，继而随淋巴管中淋巴液的单向流动运输至静脉系统进入血液循环。皮下给药后药物的吸收过程会受到相对分子质量、分子载电荷量以及给药体积与给药部位等许多因素的影响。生理因素如年龄、体质量也会对同一药物的生物利用度产生影响，导致出现较大的差异。一项在绵羊体内开展的实验显示，皮下注射给药后，不同相对分子质量的药物（5-氟-2'-脱氧尿苷为246.2，菊粉为5200，细胞色素C为12300，IFN-α为19000）在绵羊淋巴液中的累积回收率与相对分子质量之间呈现正相关性。提示，相对分子质量小于1000的药物，其大部分被吸收后进入血液循环，此时淋巴转运在药物吸收过程中的作用暂可忽略不计。相对分子质量为19000时，约60%的药物被吸收进入淋巴系统。这也意味着淋巴转运在常见的蛋白多肽药物（相对分子质量为1500~70000）和核酸类药物（相对分子质量为6000~18000）皮下给药吸收过程中起重要作用。推测对于相对分子质量一般为150000的mAb，皮下给药时几乎都是经过淋巴系统摄取。正常生理情况下，淋巴流量和流动速度均不大。人在禁食安静状态下，每分钟约产生1.0~1.5mL淋巴液。这使得皮下注射给药需要很长一段时间才能被吸收，如mAb通常需6~8d达到峰浓度。故推测淋巴转运的贡献率会对药物的达峰时间产生影响，这也是生物大分子药物皮下注射给药后达峰时间存在差异性的原因。同时有研究指出，由于在皮下给药部位以及转运至淋巴系统的过程中存在降解，故生物大分子药物皮下注射给药后吸收越快，其生物利用度可能越高。2生物大分子药物的体内分布和消除2.1蛋白和多肽药物蛋白和多肽药物因相对分子质量大、亲水性强，导致其在血管外室分布较低，静脉注射给药后大多符合二房室模型特征。和小分子药物不同，蛋白和多肽药物存在受体介导的靶器官特异性摄取，会影响其在体内的分布。蛋白和多肽药物在体内不会经历传统小分子化合物的药物代谢反应，其主要是在蛋白水解酶的作用下发生水解反应被降解，产生的氨基酸进入内源性的氨基酸库，被重新运用。2.2单克隆抗体药物通过分子生物学手段可得到由单一B细胞克隆产生的高度均一抗体，称为mAb。20世纪90年代末，自首个嵌合mAb获批后，治疗性mAb在自身免疫性疾病和肿瘤治疗方面获得了突飞猛进的发展。mAb药物的发展先后经历了鼠源mAb，嵌合mAb，人源化mAb和完全人源化mAb4个阶段。目前已获批的mAb药物均属于人免疫球蛋白IgG家族，其与内源性人免疫球蛋白IgG有相似的结构和相近的相对分子质量（150000）。2.2.1分布mAb极大的相对分子质量和亲水性使其体内分布呈现2个特征。一是mAb在体内分布多呈现二房室模型，中央室表观分布容积（＜15.7L）均比较低，mAb药物主要分布于血浆，其次是间质液和淋巴液。虽然血浆和间质液之间存在对流运动，但正常组织中血浆蛋白和mAb药物的净流动是从血管中流出并进入间质液。一旦mAb药物进入间质液，就可以与细胞膜上的靶标结合，通过胞吞进入细胞。同时，由于淋巴管的直径远大于血管上皮细胞间隙，不与间质中靶标结合的药物可通过淋巴系统再循环至静脉系统。二是给药后mAb药物在不同组织的分布出现差异性。主要的原因有3个方面：1）不同组织毛细血管的孔径和血液灌注存在差异性。如脑组织是药物最难分布的器官，mAb药物在肾脏分布最多，其次是肝脏、脾脏，脑中分布最少。2）mAb存在自身靶向性，不同组织靶点的表达水平会影响其在体内的组织分布。3）mAb药物相对分子质量的大小、携带的电荷量等对通过毛细血管时的孔径压力造成影响。2.2.2消除mAb药物在体内的清除率（0.066~1.33L·d-1）很低，半衰期为数小时或数天，差异较大。mAb药物具体的消除机制尚不清楚，目前讨论的消除途径主要存在3种：1）传统的蛋白酶水解。mAb药物因相对分子质量较大不会在肾脏直接滤过，可在蛋白酶的作用下降解为肽段，被机体重新利用。这种水解是非特异性的，在mAb药物的消除中贡献率也比较低。2）溶酶体水解。mAb药物可以与细胞表面膜结合型抗原结合或与细胞表面Fcγ受体结合后内吞至细胞内，也可以非特异性吞饮的方式进入细胞，然后被细胞内的溶酶体降解成肽段和氨基酸。3）免疫系统清除。机体除了存在膜结合型抗原外，还存在可溶性抗原。可溶性抗原可以与单抗结合形成免疫复合物，继而被免疫系统清除。同时mAb药物可能在体内引起免疫反应而产生抗药物抗体，mAb药物与之结合后随即被免疫系统清除。2.3ADC药物ADC是一类抗体与小分子药物通过连接物相连接的新型药物。该类药物可以在保持mAb高度靶向性的同时，引入小分子药物的强细胞毒性。然而实际研发过程中困难重重，目前仅有2种ADC药物获批用于临床，分别是用于人表皮生长因子受体2（HER2）阳性转移性乳腺癌的曲妥珠单抗（Kadcyla）和治疗晚期霍奇金淋巴瘤的本妥昔单抗（Adcetris），其抗体的药代动力学特征见表2。一个理想的ADC药物应具有的特征有：mAb药物应选择性高、亲和力强、人源化、免疫原性低、清除率较慢；连接物应在循环中保持稳定，可在肿瘤细胞内部释放活性药物，具有合适的结合位点；小分子药物应具有较强的细胞毒性，在生理pH条件下保持稳定，具有合适的药物代谢和转运行为，具有较好的DAR；抗原应具有肿瘤特异性，表达在细胞表面，可与抗体形成复合物并将其胞吞进入细胞。与mAb药物相比，ADC药物具有相似的药动学特征：清除率低、半衰期长、组织分布有限。但也存在不同点：1）ADC药物通常是不同偶联方式的化合物组成的相对分子质量不同的混合物，这给测定带来了难度。2）ADC药物由抗体、连接物和小分子药物3部分组成。这3个部分在体内的分布、消除等需要分别进行研究，也就需要建立准确测定这3种不同的组分及可能代谢物的分析方法。3）ADC药物在体内常通过去偶联作用分别形成mAb药物和小分子物质，二者分别进一步的水解或代谢；也可能直接降解或分解代谢为含片段的小分子药物，发生和传统小分子化合物相似的代谢和转运等体内处置行为。由于mAb药物不发生CYP450酶系介导的代谢以及转运体介导的转运，也就不存在和小分子药物发生药物相互作用的可能，而ADC药物则有可能发生药物相互作用。4）对于ADC药物而言，在DAR小于4时，共轭和未共轭抗体之间的组织分布无显着差异；然而当DAR大于4时，疏水性增加，共轭会加速血浆清除，并且在肝脏中有蓄积的趋势。5）理想状态下，连接物应在肿瘤细胞内释放小分子化合物。但ADC药物可以通过胞饮作用进入正常细胞，导致非靶细胞内产生不需要的药物释放，可能导致毒性。2.4核酸药物寡核苷酸是一类20个左右碱基的短链核苷酸的总称（包括脱氧核糖核酸DNA或核糖核酸RNA内的核苷酸）。寡核苷酸是生物医学和生命科学研究中调节基因表达的基本工具，现在已被开发为基因靶向治疗药物，用于治疗病毒感染、肿瘤和遗传病。寡核苷酸药物主要包括反义寡核苷酸、小干扰RNA（smallinterferingRNA，siRNA）、核酸适配体、核酸疫苗等。2.4.1分布静脉注射给药后寡核苷酸快速分布到组织，游离的寡核苷酸主要是被肝脏和肾脏摄取，然后缓慢地消除（可能数周），在体内通常呈现多房室模型特征，缓慢消除阶段的AUC通常约占总AUC的20%。临床前研究数据显示，寡核苷酸的体内过程常表现出非线性药动学的特征。由于静脉注射给药后寡核苷酸快速分布到组织，血浆暴露量远低于组织，使得血浆中的非线性特点不太明显，而个别组织中的非线性特征更为明显。例如经三氨基N-乙酰基半乳糖胺修饰的反义寡核苷酸（ISIS691257）在猴体内的药代动力学研究表明，皮下注射给药后，ISIS691257迅速吸收达峰后浓度快速衰减并进入缓慢的消除阶段（消除半衰期约4周），在1~40mg·kg-1剂量范围内血浆和肝脏的处置过程呈现出非线性特征。寡核苷酸如反义核苷酸和siRNA在肝脏和肾脏分布浓度均较高，但在其他组织如心脏、胰岛、中枢神经系统的分布有限甚至无分布。有研究人员将小分子甲状腺激素T3和反义核苷酸结合，促进了T3在肝脏和脂肪组织的摄取，这既保持了寡核苷酸积极的代谢作用，同时也最大限度地减少了对脑、心脏和肌肉的副作用。另一方