GLP-1藥物長效策略集錦
前言
GLP-1R因其優(yōu)異的降糖、減重功效而爆火,代表性藥物司美格魯肽還通過不斷拓展心血管、NASH新適應(yīng)癥持續(xù)出圈,預(yù)計2024年將榮登藥王寶座。GLP-1成為近年來最火熱的研發(fā)藥物之一。然而,GLP-1作為人體內(nèi)源肽,其本身半衰期短的問題也成為了各家研發(fā)企業(yè)首要解決的問題。
從氨基酸替換、脂肪鏈的引入、融合蛋白策略,再到抗體偶聯(lián)和藥物緩控釋技術(shù),GLP-1長效策略歷經(jīng)更迭,并正突破周制劑的限制,向更長效制劑發(fā)展。
長效GLP-1制劑開發(fā)難點
GLP-1(胰高血糖素樣肽-1)是一種由腸道內(nèi)分泌L細(xì)胞和腦干孤束核內(nèi)的某些神經(jīng)元在進(jìn)食后產(chǎn)生和分泌的活性肽類激素。在人體內(nèi),其通過結(jié)合GLP-1受體(GLP-1R),激活受體的信號傳導(dǎo),從而發(fā)揮了抑制胰高血糖素分泌、增加胰島素分泌、減緩胃腸道蠕動、抑制食欲等的生物學(xué)功能,從而可以參與人體內(nèi)血糖平衡調(diào)節(jié)。此外,GLP-1還有延緩胃排空、抑制食欲、心血管保護(hù)的功能。
圖1. GLP-1的作用機(jī)制
盡管GLP-1有諸多優(yōu)點,但臨床開發(fā)最致命弱點是GLP-1在血液中的半衰期較短,主要原因有兩個:一是因為被受體內(nèi)二肽基肽酶4 (DPP-4) 以及中性肽鏈內(nèi)切酶(NEP)所降解,兩者的切割會使GLP-1失活。二是GLP-1在體內(nèi)會被腎臟清除而快速降解,這使得內(nèi)生GLP-1在體內(nèi)的半衰期約為 2 min,且只有 10-15% 的GLP-1 完整地進(jìn)入循環(huán),空腹血漿水平僅為 0-15 pmol/L。
圖2. GLP-1酶切位點
解決方法無非是“開源節(jié)流”,最早期采用的是“節(jié)流”的方式,科學(xué)家設(shè)計了小分子二肽基肽酶抑制劑,并最終成功用于臨床,從而降低GLP-1在體內(nèi)的降解,從而達(dá)到降糖作用,但療效和時效并不好。“開源”是指通過優(yōu)化GLP-1結(jié)構(gòu)及載體技術(shù)提高體內(nèi)GLP-1(類似物)的濃度和作用時間,以獲得更好的治療效果,提升患者的依從性。
短效GLP-1受體激動劑通過氨基酸取代等方式減少其被蛋白水解降解,如每日兩次的艾塞那肽,但這類藥物在腎臟中被快速清除,仍難以延長循環(huán)時間;因此,一系列修飾遞送的策略如白蛋白融合、Fc蛋白融合、脂肪酸;葢(yīng)用,開發(fā)出了利西拉肽、利拉魯肽等日制劑和度拉糖肽、司美格魯肽、替爾泊肽等周制劑。
雖然已上市產(chǎn)品將治療頻率從每日減少到每周,但從文獻(xiàn)報道來看,與每日一次給藥頻率相比,每周一次給藥頻率并不能顯著提高患者的依從性,仍存在改進(jìn)的空間。臨床數(shù)據(jù)表明,T2D 患者一年內(nèi)對注射司美格魯肽的依從性在 39% 至 67% 之間,使用該藥物減肥的患者依從性并不算高。
圖3. GLP-1酶切位點
第一代長效策略
第一代的長效策略是氨基酸序列的改造和修飾,艾塞那肽和利西拉肽是第一代長效策略的產(chǎn)物。該長效策略的靈感來自從吉拉毒蜥(Heloderma suspectum)的唾液中發(fā)現(xiàn)的Exendin-4,其結(jié)構(gòu)與人類GLP-1僅有53%的同源性,但其和人GLP受體的結(jié)合能力要比GLP-1強(qiáng),這歸因于兩者N端關(guān)鍵氨基酸的高度相同。
與GLP-1相比,Exendin-4的第二位置的Gly取代了Ala,因此對DPP-4的消化作用更加耐受,使得 Exendin-4能夠有30min的半衰期,皮下注射能夠保持2.4h的有效濃度。基于Exendin-4的特性,通過對其序列的改造和修飾,得到了兩款藥物艾塞那肽和利西拉肽兩款藥物。其中,艾塞那肽每日注射兩次,利西拉肽每日注射一次。
圖4. 利西拉肽與Exendin-4序列比對
第二代長效策略
第二代長效策略包括了引入脂肪酸鏈、脂融合白蛋白、融合Fc蛋白等分子設(shè)計策略,也包括藥物緩釋系統(tǒng)這一制劑開發(fā)策略,正是這些策略的使用讓GLP-1周制劑被成功研發(fā)。
1
脂肪酸鏈的引入
除了抑制DPP-4,Novo Nordisk的科學(xué)家們從另一個角度切入,看到了與白蛋白結(jié)合對GLP-1類藥物的巨大優(yōu)勢,能夠有效延長其半衰期。白蛋白(Albumin)是血漿中含量最高的一種蛋白質(zhì),可以跟脂肪酸結(jié)合,并有重要的生理意義,至今為止,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)白蛋白上與脂肪酸結(jié)合的11個位點;诖,Novo Nordisk的科學(xué)家們開始專注于在GLP-1上引入脂肪酸鏈。
引入脂肪酸鏈延長GLP-1半衰期的機(jī)制主要有:脂肪酸與質(zhì)膜和注射部位的白蛋白結(jié)合形成復(fù)合物,由于尺寸較大,同時脂質(zhì)化修飾導(dǎo)致多肽藥物分子疏水性增加,導(dǎo)致注射后組織中和毛細(xì)血管壁上的擴(kuò)散速率降低;除此之外,進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)的脂化多肽,由于與白蛋白之間的可逆、高親和結(jié)合,提高了多肽藥物的藥代動力學(xué)特征,降低腎臟清除率并利用FcRn介導(dǎo)的循環(huán)利用來增加半衰期。
圖5. 引入脂肪酸鏈后與白蛋白的作用機(jī)制
總的來說,脂質(zhì)化的潛在優(yōu)勢主要歸因于幾個關(guān)鍵作用:提升半衰期、增強(qiáng)遞送、提高藥理效力和降低免疫原性。
圖6. 引入脂肪酸鏈后GLP-1與白蛋白的作用機(jī)制
脂肪酸鏈的引入效果受到脂質(zhì)類型、長度和引入位點的影響。脂質(zhì)類型方面,與引入一元脂肪酸相比,脂肪二酸類型的引入利于提供更強(qiáng)的白蛋白親和力,由于引入了額外的羧酸基團(tuán),因此可能導(dǎo)致更長的半衰期。引入長度方面,在一定范圍內(nèi),其與白蛋白結(jié)合的親和力隨烷基鏈的長度而增加。1,18-十八烷二酸(C18二酸)和 1,20-二十烷二酸(C20二酸)是迄今為止測試過的對白蛋白具有最高親和力的脂肪酸,因此具有更長的半衰期。引入位點方面,合適的位點決定了藥物的最佳效力和半衰期,尤其是當(dāng)脂肪酸直接修飾到主鏈。
圖7. C18二酸和C20二酸化學(xué)結(jié)構(gòu)
利拉魯肽、司美格魯肽是引入脂肪酸以延長半衰期的經(jīng)典代表。
圖8. 利拉魯肽與司美格魯肽結(jié)構(gòu)
2
PEG修飾
聚乙二醇(PEG)是由經(jīng)環(huán)氧乙烷聚合而成,其相對分子量(Mr)主要在200-40000的乙二醇高聚物。聚乙二醇中性、無毒、具有獨特的理化性質(zhì)和良好的生物兼容性,并且是少數(shù)被FDA批準(zhǔn)可用于體內(nèi)注射用藥的化學(xué)物質(zhì)。
長效化是PEG修飾藥物對藥效的主要改良方向之一。但其應(yīng)用遠(yuǎn)不局限于“長效化”,還能改變化合物的理化性質(zhì)使前藥在到達(dá)特異性作用靶點后被活化而發(fā)揮藥效,或改變小分子的脂溶性或水溶性以降低毒副作用等等。
目前全球已有二十余款PEG修飾藥物獲批上市,市場規(guī)模超百億元。其中PEG重組人生長激素和PEG干擾素、培非格司亭等PEG修飾大分子藥物已在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。
將PEG修飾的位點轉(zhuǎn)移至C端(羧基)則是一種有效的修飾策略。PEG洛塞那肽就是一個應(yīng)用的例子。
2019年5月,NPA通過優(yōu)先審評審批程序批準(zhǔn)豪森藥業(yè)的 1 類創(chuàng)新藥PEG洛塞那肽注射液。該藥物是全球第一款PEG化的長效降糖藥物,每周僅需注射一次。獨特的PEG修飾技術(shù)賦予洛塞那肽多項優(yōu)勢,使其半衰期延長,在顯著降低血糖的同時,血糖波動小,起效快,且不良反應(yīng)發(fā)生率降低。
Diapin Therapeutics由雙鷺?biāo)帢I(yè)與美國密歇根大學(xué)合作合資設(shè)立,最初主要從事開發(fā)糖尿病預(yù)防/治療藥物,后又增加心腦血管治療領(lǐng)域的藥物開發(fā)。目前,雙鷺?biāo)帢I(yè)持有Diapin Therapeutics 30%的股權(quán)。
圖9. 聚乙二醇洛塞那肽
3
融合白蛋白
通過融合白蛋白增加藥物半衰期是多肽藥物設(shè)計的常見技術(shù)。對于重組蛋白和多肽藥物等,可以通過人血清白蛋白(HAS)修飾提高藥物半衰期,減少給藥頻率,提高患者順應(yīng)性。
圖10. 血清白蛋白(HSA)的應(yīng)用
白蛋白顯著增強(qiáng)GLP-1藥物在體內(nèi)半衰期主要通過兩個方式:一方面GLP-1與白蛋白融合后,分子量增大,因此無法穿過腎小球上皮細(xì)胞間隙,逃脫了被腎臟清除,繼續(xù)回到血液循環(huán)中發(fā)揮藥效作用;另一方面,白蛋白還可以和內(nèi)皮細(xì)胞的FcRn結(jié)合,通過FcRn內(nèi)化循環(huán),逃逸溶酶體的降解,再進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。
圖11. 白蛋白延長半衰期機(jī)制
早期的HSA修飾是將多肽直接與HSA進(jìn)行融合,沒有引入連接肽。比如GSK開發(fā)的Albiglutide于2014-4-15獲FDA批準(zhǔn)上市,用于Ⅱ型糖尿病的治療,是第一個獲批的HSA融合的長效藥物。Albiglutide將GLP-1的8位氨基酸突變?yōu)镚LY后進(jìn)行串聯(lián),然后直接融合到HSA的N端,其半衰期可延長至5天,每周給藥一次即可。然而,2017年,GSK宣布該藥物從全球市場撤出。
圖12. Albiglutide結(jié)構(gòu)
4
融合Fc蛋白
Fc融合蛋白是一種結(jié)合肽或蛋白的試劑,是一種基于IgG的嵌合融合蛋白,其不僅保留了功能蛋白分子的生物學(xué)活性,還具有一些抗體的性質(zhì),如通過結(jié)合相關(guān) Fc 受體延長半衰期。
圖13. Fc融合蛋白結(jié)構(gòu)
Fc融合蛋白含有的抗體Fc段,雖不能進(jìn)行抗原-抗體反應(yīng),但Fc段可介導(dǎo)抗體依賴的細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性(antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC)、補(bǔ)體依賴的細(xì)胞毒性(complement dependent cytotoxicity, CDC)作用等各種生物學(xué)功能,并且可以根據(jù)4種亞型介導(dǎo)的細(xì)胞毒差異選擇融合伴侶。依靠融合伴侶的長效機(jī)制,可通過新生兒Fc受體(neonatal Fc receptor, FcRn)介導(dǎo)的循環(huán)途徑延長藥物在血漿內(nèi)的半衰期、增加融合蛋白的穩(wěn)定性等。
利用Fc延長半衰期最成功的案例是禮來的明星藥物度拉糖肽,其應(yīng)用了多個長效策略:首先應(yīng)用了氨基酸替換策略,將8位的丙氨酸(Ala)替換為甘氨酸(Gly8)以抵抗DPP-4降解,22位的甘氨酸(Gly)替換為谷氨酸(Glu22)從而穩(wěn)定了分子的二級結(jié)構(gòu)并提高了效力,將36位的精氨酸(Arg)替換為甘氨酸(Gly36),以避免潛在的T細(xì)胞表位;其次,選擇了IgG4的Fc區(qū)域來起到延長半衰期的作用,同時為了減少其與FcR的相互作用,對其中幾個序列做了修改,避免ADCC免疫副作用。最后,在GLP-1類似物和Fc部分之間使用一個包含16個氨基酸的超長連接子,避免了因為和Fc融合而帶來的藥物失活。
圖14. 度拉糖肽結(jié)構(gòu)
5
藥物緩釋系統(tǒng)
利用藥物遞送系統(tǒng)提高GLP-1藥物半衰期的嘗試包括:聚合物水凝膠、納米顆粒和微球等。然而,到目前為止,只有基于聚乳酸-羥基乳酸共聚物(PLGA)的GLP-1藥物獲得了FDA的批準(zhǔn)。
(1)微球制劑
緩釋微球制劑可使包裹于其中的多肽類藥物緩慢釋放,在體內(nèi)達(dá)到緩釋長效的作用。以可生物降解聚合物如PLGA 為骨架材料,包裹蛋白多肽類藥物制成注射微球,通過肌肉或皮下注射給藥,隨著聚合物的降解,藥物以擴(kuò)散、溶蝕 方式釋放,可緩慢釋放 1 周,或長達(dá)數(shù)月,可大大減少給藥次數(shù),顯著提高患者用藥的順應(yīng)性。
圖15. PLGA結(jié)構(gòu)式
微球制劑已廣泛引應(yīng)用于多肽領(lǐng)域,代表性藥物有亮丙瑞林微球、曲普瑞林微球、奧曲肽微球和帕瑞肽微球等?梢酝ㄟ^人為控制聚合制備工藝,改變黏度及分子量等參數(shù),進(jìn)而靈活地控制載藥微球的降解速度,以調(diào)節(jié)所包埋多肽藥物的釋放速率。
注射用艾塞那肽微球,是FDA批準(zhǔn)的基于PLGA的艾塞那肽聚合物微球制劑。雖然PLGA的降解時間長達(dá)六個月以上,但艾塞那肽-PLGA微球制劑僅僅能實現(xiàn)每周一次的給藥頻率。
圖16. Glutazumab結(jié)構(gòu)
艾塞那肽微球制劑雖然可以實現(xiàn)每周一次給藥,但有一個缺點是無法在體內(nèi)以穩(wěn)定的速率釋放GLP-1 藥物。
圖17. 注射用艾塞那肽微球藥物釋放曲線
微球制劑是實現(xiàn)每月一次給藥的有效途徑。但大多數(shù)早期開發(fā)的PLGA注射劑都具有突釋特征,導(dǎo)致注射后幾天體內(nèi)的藥物濃度很高,PLGA微球在體內(nèi)的突釋會導(dǎo)致嚴(yán)重的不良反應(yīng)。
(2)水凝膠長效制劑
微球制劑雖然增加了多肽藥物的效用,但微球仍需要被優(yōu)化,以實現(xiàn)適當(dāng)?shù)乃帋煜嗳菪院歪尫判袨,并且只有相對疏水性的多肽才能顯示出長達(dá)數(shù)月的釋放。因此,科學(xué)家們開始轉(zhuǎn)向利用水凝膠技術(shù),以開發(fā)出一年3-4次注射的超長效GLP-1制劑。
基于水凝膠的制劑(Hydrogel-based formulations)是親水性聚合物在水性介質(zhì)中形成交聯(lián)網(wǎng)格的制劑。水凝膠中含水量很高,可以用于親水性小分子、大分子藥物和細(xì)胞的遞送。為獲得長效水凝膠制劑,藥物分子必須要先包載到聚合物的網(wǎng)格中,通過高密度交聯(lián)來降低聚合物鏈之間的間距,這可以減緩藥物從凝膠基質(zhì)中的擴(kuò)散速率。水凝膠制劑釋放藥物的機(jī)制主要依靠聚合物的降解和侵蝕作用,可以持續(xù)釋放藥物數(shù)周至數(shù)月。
近期,由斯坦福大學(xué)工程學(xué)院科學(xué)家、Novo Nordisk研究人員組成的聯(lián)合團(tuán)隊開發(fā)出了一種新型水凝膠藥物遞送系統(tǒng)(水凝膠儲庫技術(shù)),可以將 GLP-1 的給藥頻率減少到 4 個月一次。根據(jù)他們的計算模型,該遞送系統(tǒng)在大鼠體內(nèi)分泌治療濃度的利拉魯肽 42 天,相當(dāng)于在人類體內(nèi)分泌 4 個月。
研究團(tuán)隊開發(fā)出了一款聚合物納米顆粒(PNP)水凝膠,將疏水修飾的 HPMC 與 PEG-PLA 納米顆粒混合制備的 PNP 水凝膠能夠以 100%的效率輕松封裝GLP -1 受體激動劑。這種水凝膠由聚合物鏈和納米顆粒組成的網(wǎng)狀物形成的,它們彼此之間的結(jié)合較弱,雖然可以像水凝膠一樣結(jié)合,但隨著時間的推移會緩慢消散,網(wǎng)狀物包載藥物分子,網(wǎng)狀物溶解進(jìn)而釋放藥物。
圖18. 水凝膠制劑結(jié)構(gòu)
由于這種聚合物納米顆粒水凝膠具有一定的流動性,可以使用常規(guī)注射器注射,其注射后會在皮膚下形成一個微型“藥物倉庫”,注射后能夠在體內(nèi)停留長達(dá) 4 個月,持續(xù)釋放 GLP-1 受體激動劑發(fā)揮功效。
在動物模型試驗中,研究人員將其注射到 T2D 模型大鼠中,在為期 6 周的監(jiān)測時間內(nèi),這兩種藥物都保持在治療濃度,并與標(biāo)準(zhǔn)注射藥物一樣降低了動物的血糖水平。
圖19. 基于新型水凝膠的 GLP-1 藥物在人體內(nèi)的藥代動力學(xué)建模
每 4 個月一次的治療可能是臨床糖尿病管理的理想選擇,因為這將與患者復(fù)診的典型節(jié)奏保持一致,而這種水凝膠系統(tǒng)的釋放時間可以從一天到六個多月不等,該項技術(shù)有望使GLP-1藥物注射頻率減少至1年3次。圍繞此次 GLP-1 受體激動劑的研究,如果接下來的實驗,研究人員預(yù)計將在一年半到兩年內(nèi)開展人體臨床試驗。
第三代長效策略
如果說第二代長效策略使每日制劑進(jìn)化成為每周制劑,那第三代長效策略則有可能使每周注射的GLP-1制劑向每月一次甚至幾個月一次的制劑邁進(jìn)。
1
抗體偶聯(lián)策略
融合蛋白仍非長效機(jī)制的最優(yōu)解,串聯(lián)肽-抗體融合物容易受到蛋白水解作用,Regeneron給出抗體偶聯(lián)GLP-1類似物的新策略。
2022-3-17,Regeneron的GLP-1R靶向ADC新藥的專利WO2022056494公開。專利中,Regeneron將特異性靶向GLP-1R胞外結(jié)構(gòu)域的抗體或與功能性激活GLP-1R的GLP-1肽模擬物相偶聯(lián),組合成的抗體-藥物綴合物。Regeneron給這項技術(shù)起了個新的名詞:antibody-tethered drug conjugates (ATDCs),抗體束縛藥物綴合物。
值得注意的是,Regeneron的這款GLP-1R靶向ADC與傳統(tǒng)的ADC有所不同,抗體結(jié)合GLP-1R的胞外區(qū),而payload結(jié)合的是GLP-1R的跨膜區(qū)。這一機(jī)制的優(yōu)勢是:促進(jìn)了親和力、提升藥效的同時,提升了GLP-1多肽的穩(wěn)定性與半衰期,降低清除率,達(dá)到長效穩(wěn)定的GLP-1激動效果。
圖20. Fc融合蛋白結(jié)構(gòu)
相比于GLP-1,這種GLP-1R ATDC具有更強(qiáng)的激動劑活性。在臨床前試驗中,Regeneron選擇了高脂飲食肥胖小鼠模型。度拉糖肽作為陽性對照,給藥頻次為每周兩次,持續(xù)4周。而三個ATDC化合物均為只在第0天,單次給藥。實驗持續(xù)8周,每組給藥均為25 mpk。
實驗結(jié)果顯示出了這款新藥對體重長效控制效果:度拉糖肽組小鼠僅在第3天與第7天觀察到了減重效果,之后便體重反彈。而三個ATDC實驗組小鼠,盡管只接受了單次給藥,減重效果分別維持了4周、6周與8周。這一臨床前結(jié)果頁體現(xiàn)出ATDC藥物相較于GLP-1多肽的優(yōu)勢,初步具備成為月制劑的潛力。
2
抗體融合策略
將 GLP-1 融合到一個大的“載體”部分是延長半衰期和給藥間隔的有效方法。
2018年,Gmax (鴻運(yùn)華寧生物)團(tuán)隊在《Biochemical Pharmacology》雜志刊文,報道了Glutazumab 抗體通過雙結(jié)合位點作用機(jī)制在抗糖尿病治療效果。
研究團(tuán)隊將23個氨基酸的肽連接物GLP-1(7-35)片段與人源化GLP-1R抗體(IgG2)的輕鏈融合。Glutazumab具有天然GLP-1的藥理作用和高特異性抗體的結(jié)構(gòu)屬性。研究團(tuán)隊通過實驗證實了Glutazumab中的 Ab1 和 GLP-1 片段都有助于 GLP-1R的結(jié)合和激活,同時GLP-1R抗體片段 Ab1 可能通過受體靶向減少脫靶效應(yīng)。
圖21. Glutazumab結(jié)構(gòu)
Glutazumab具有與度拉糖肽類似的激動劑性能,并強(qiáng)于野生型GLP-1多肽,由于抗體識別的因素,Glutazumab誘導(dǎo)的胰島素分泌能力強(qiáng)于度拉糖肽。
鴻運(yùn)華寧給出的長效策略是串聯(lián)GLP-1多肽與GLP-1R單抗的融合蛋白,Glutazumab表現(xiàn)出了優(yōu)于同類GLP-1類似物的安全性、耐受性,以及降糖減重效果,有望成為新一代超長效降糖(2周甚至每月一次)和減重(1周甚至每月一次)治療藥物。
結(jié)語
GLP-1藥物長效策略經(jīng)過了三代的發(fā)展,每一代藥物都是基于上一代藥物的長效策略進(jìn)行優(yōu)化迭代,凝結(jié)了幾代科學(xué)家的研發(fā)智慧。
從氨基酸序列的修飾替換、到引入脂肪酸鏈,再到微球、水凝膠等長效策略,GLP-1藥物已升級到了每周一次制劑;但每周一次給藥仍不能很好地提高患者依從性,抗體偶聯(lián)、抗體融合等策略應(yīng)運(yùn)而生,在不久的未來有望誕生一年僅需注射數(shù)次的降糖、減肥制劑,這將是GLP-1領(lǐng)域的巨大突破。
圖22. GLP-1藥效發(fā)展進(jìn)程
| 引用資料
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[11] 醫(yī)麥客:GLP-1類藥物的“內(nèi)卷”指南
[12] 醫(yī)藥魔方:萬物皆可偶聯(lián):再生元的減肥藥GLP-1 ADC
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