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【凯泰行研】靶向蛋白降解技术(TPD)行业研究

 

凯泰资本行业研究报告 

——靶向蛋白降解技术(TPD)行业研究

 

 作者:生物医药与生命科学投资团队

【前言】

生命科学大树上低垂的果子已经能够被轻松采撷,新技术的发展让我们有机会尝一尝远方的味道。

我们过往的文章《靶向RNA小分子药物行业研究及投资建议中》,对现有药物开发靶点整体状态进行了梳理。截至目前已经批准的药物中蛋白质靶标不到700个,对应2019年全球医药市场总量约为1.3245万亿美元。剩余的蛋白质靶标也就是所谓的undruggable targets(难成药靶点)占疾病相关蛋白约70%以上,这些靶点目前缺少有效的干预手段,存在巨大的研究与开发价值。

科学工作者围绕整套中心法则利用不同药物形式建立了各类干预手段,比如小分子靶向DNA调控元件G-quadruplex,GalNAc-siRNA,以及本文要重点介绍的蛋白质降解等,都是市场上炙手可热的投资标的。保持对新技术的敬畏,与未来相连接,是长期以来凯泰资本坚守的基本投资理念。

 

 

投资建议

1. TPD为传统技术无法解决的难成药靶点提供了一个新的解决方案。2004年泛素介导的蛋白降解获得诺贝尔奖,理论研究日趋成熟。全球范围内创新资本(VC、大药企)和创新人才在向行业涌入,行业处在产业化快速推进的过程中。TPD值得关注的方向:

2. Molecular Glue。最大优势在于解决了成药性问题。难点在于现阶段缺乏设计策略,可以通过构建Platform进行筛选,成本和效率是核心评价指标。

3. Heterobifunctional Degrader。重点围绕传统药物无法解决的靶点进行开展,靶蛋白Binder设计或筛选能力、linker设计能力、PK优化能力将带来核心的竞争优势。

4. Hydrophobic Tagging。同分子胶水一样,具有成药性优势,但尚未建立系统的药物理性设计策略,同样可通过构建Platform进行筛选。

5. 新的E3 ligase的挖掘。人体内有约632种E3 ligase,目前处在产业化开发的仅约5种,不同的E3 ligase有可能带来降解效率、选择性的优势。

 

 

 

行业研究报告

 

 

 

01靶向蛋白降解(TPD)技术简介

 

靶向蛋白质降解是药物开发的一种新兴策略,其基本理念是利用药物分子催化目标蛋白质的泛素化,最终导致它们被蛋白酶体降解;或招募目标蛋白被自噬溶酶体包裹,达到被水解的目的。当前发展比较火热的降解剂设计策略包括:小分子抑制剂、疏水标签、杂合双功能降解剂及分子胶等。

 

02自然状态下生物体蛋白质降解的生物学意义

正常的细胞功能取决于各类细胞内容物的相互作用,并受到定位,时间和浓度等各类因素的影响。值得注意的是,客观反应细胞压力的外在表现是蛋白质水平的快速重塑,这包括蛋白质从头合成和降解之间速率的平衡(Mol. Cell 2011, 44, 325)。细胞内蛋白质的降解主要通过两个途径发生:自噬/溶酶体系统和泛素-蛋白酶体系统。鉴于这两项基础研究的重要性,2004年诺贝尔化学奖因发现泛素(Ub)介导的蛋白质降解而共同授予亚伦·西查诺弗(Aaron Ciechanover),阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)和欧文·罗斯(Irwin Rose);2016年,大隅良典因其在自噬方面的开创性研究而获得了诺贝尔医学与生理学奖。

 

 

·泛素-蛋白酶体降解系统

泛素-蛋白酶体系统的降解主要涉及泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3的一系列反应(Biochem. J. 2004,379, 513;Cell 2016,165, 248):

 

 

 

1)泛素(Ub)被激活粘到激活酶E1上;

2)E1将激活的Ub传递给E2;

3)E3寻找待降解蛋白,与之特异性结合,同时结合携带Ub的E2,Ub被标记到待降解蛋白上;

4)蛋白水解酶识别泛素化标签,降解被其标记的蛋白,Ub被释放循环重新使用。

 

人类基因组编码2种E1酶, 40余种E2酶和大于600种E3连接酶(Nat. Publ. Gr. 2016, 26:423),其中大多数以多蛋白复合物的形式起作用,例如cullin-RING连接酶。每种E3酶在自然状态下,仅结合特定的待降解蛋白。尽管科学界目前尚不能完全解释泛素化调节与分子识别的机制,但E3连接酶-底物的结合模式具有足够的特异性,因此与蛋白质底物相比,仅通过有限数量的E3连接酶便可以实现人类蛋白质组的精准调控的泛素化。值得注意的是,自然界中天然存在小分子激活特定靶标的泛素化的例子,如:在植物激素生长素的存在下,SCFTIR1复合物催化Aux / IAA蛋白的泛素化和降解(Nature 2007, 446:640)。

 

·自噬/溶酶体降解系统

与泛素-蛋白酶体系统相比,自噬-溶酶体途径通常是非选择性的过程。该系统能够识别并去除体积较大且具有潜在危险性的细胞成分,例如蛋白质聚集体和功能失调或多余的细胞器,是生物体应对各种细胞应激(营养缺乏,缺氧,氧化应激等)的关键适应机制。

 

 

03蛋白质降解与疾病之间的关系

蛋白降解平衡异常与许多疾病有关(Molecular Genetics and Metabolism. 2002, 77 (1–2): 44)比如在胰腺炎中,蛋白酶的泄漏及其在胰腺中的过早激活导致胰腺的自我消化;糖尿病患者溶酶体活性可能会上调,导致某些蛋白质降解显著增加;类风湿关节炎等慢性炎症性疾病可能涉及溶酶体酶释放到细胞外分解周围组织;蛋白质异常折叠与沉积可能导致许多与年龄相关的神经系统疾病,如阿尔茨海默症、帕金森症、亨廷顿舞蹈症等。其他与异常蛋白水解相关的疾病包括肌肉营养不良、退行性皮肤病、呼吸道和胃肠道疾病以及恶性肿瘤等。

 

 

04在研蛋白质降解技术简介

 

·小分子抑制剂(HSP90 & Selective Estrogen Receptor Downregulators)

 

在许多情况下,抑制HSP90(热休克蛋白90)活性,会导致其下游蛋白质降解,这能够影响细胞增殖与生存。然而,由于体内药理学活性较差和严重的副作用,HSP90抑制剂尚未获得FDA批准,因此人们对HSP90抑制剂的期望仍然很高(Taldone et al., 2008; Hong et al., 2013; Chatterjee et al., 2016)。引起HSP90抑制副反应的最重要因素之一是缺乏底物选择性。因此,开发一种底物可预测性的筛选策略,也许是解决该问题的首要路径之一。

 

选择性雌激素受体下调剂(Selective Estrogen Receptor Downregulators, SERD),被认为是靶向蛋白质降解的最早的分子之一(Dauvois et al., 1992)。SERD最初是为调节蛋白质功能而设计的,其诱导ERα降解的确切作用方式仍未完全阐明,并且在不同化合物之间可能有所不同。科学研究分析:SERD与ERα的结合,会诱导其结构发生改变,通过维持适当的蛋白质折叠引起疏水性表面增加,随后被降解(Wu et al., 2005; Wittmann et al., 2007)。而这一理念,也被用于指导疏水标签类药物分子的开发。

 

·疏水标签Hydrophobic Tagging (HyT)

如上文所述,蛋白质表面的疏水性质变化可以被内源蛋白质降解系统识别,并引起蛋白质降解的现象启发了疏水标签(HyT)的分子设计:目标蛋白在与配体模拟物结合后,向配体模拟物中添加强疏水性部分(如金刚烷基或Boc3Arg),使表面疏水性质发生改变,激活后续反应从而达到目标蛋白质被降解的目的(Neklesa and Crews, 2012)。该策略将SERD降解模式转化为能够靶向各种蛋白质进行破坏的小分子探针。

疏水标签作用示意图(doi:10.1016/j.chembiol.2017.05.024)

常见疏水标签分子

 

·去泛素化抑制剂DUB Inhibitor(Deubiquitinating enzyme inhibitor)

人类基因组中已知有100个左右的DUB蛋白在泛素-蛋白酶体系统以及其他生物过程中起着关键作用(J. Med. Chem. 2015, 58(4), 1581)。DUB蛋白主要负责:

 

(1)从蛋白质底物中释放泛素(去除降解信号);

(2)在蛋白质底物上编辑多聚泛素信号以改变蛋白质的命运;

(3)分解多聚泛素链以释放泛素单体;

(4)裂解泛素前体或聚合物以再生活性泛素(Nature 2004, 430, 694;Mol. Cell Biol. 2009, 10, 550)。

 

DUB家族蛋白最具代表性的是UCHs(biquitin carboxyl-terminal hydrolases)和USPs(ubiquitin-specific proteases)。USPs占已知人类DUBs的一半以上(Cell 2009, 138, 389)。在过去的十年中,随着技术水平提升以及对生物学认识的不断深入,许多疾病,如:肿瘤,神经退行性疾病,血液疾病和感染性疾病中DUBs的作用相继被诠释(FEBS Lett. 2014, 588, 356;Physiol.Rev. 2013, 93, 1289)。由于此类酶在维持蛋白质稳态中具有关键作用,DUB抑制剂成为诸多学术机构和生物技术/制药公司的开发对象。

 

USP1 inhibitors

 

 

 

·杂合双功能降解剂Heterobifunctional Degraders

 

Heterobifunctional Degraders杂合双功能降解剂在业界有个更广为流传的“名字”——PROTAC(Proteolysis Targeting Chimeras,蛋白水解靶向嵌合体)。但事实上,这个名字是Arvinas公司注册的技术商标,因其最早成立,故传播比较广泛。杂合双功能分子引起的蛋白质降解是一种合成化学策略:根据上文介绍的泛素化标记机制,双功能分子可以同时与目标蛋白和E3连接酶结合,从而生成关键的三元复合物。而该三元复合物能够进一步促进泛素蛋白从E3连接酶复合物转移至目标蛋白的表面。随后的多泛素化作用导致标记蛋白的蛋白酶体识别及其降解,如图所示。

 

与传统“蛋白质-配体”药物分子动力学和药效学模型不同的是,杂合双功能降解剂可以使蛋白质在催化条件下被不可逆转的降解。因此:

 

1、 在蛋白质降解后,药物分子仍然存在,并且能够降解更多的目标蛋白质;

2、 降解目标蛋白所需的药物浓度有一定的窗口限制,否则高浓度下会有Hook Effect的产生(药物分子仅与单一蛋白结合);

3、 药物分子对蛋白靶标的结合亲和力需要平衡考量且不一定需要很强。

 

这一领域目前融资非常火热,下表所列为NASDAQ已上市企业:

 

 

 

·分子胶 Molecular Glue

 

从被发现的几十年来,沙利度胺就被各种药物史、教科书强调为药物致畸致的典型风险示例。最早沙利度胺被开发用于妊娠期妇女抗早孕止吐药物,在大量出生婴儿畸形报告后,该产品被撤出市场。这就是药物史上著名的“海豹婴儿事件”。

沙利度胺时间轴(Nature review 2004, 4, 314)

 

一直到2010年,Handa课题组的开创性工作才确定了沙利度胺的分子靶标——证明该药物与CRBN结合并抑制了其泛素化。此后人们对沙利度胺的免疫调节作用越来越感兴趣,深入研究发现了其他更有效且更具选择性的类似物(来那度胺,泊马度胺),而这类药物也被广泛定义为免疫调节性酰亚胺药物(IMiD's)。

 

·分子胶(Molecular Glue)——上市药物、在研企业、交易情况

截止到目前为止,一共有三款分子胶类药物上市,其销售情况如表中所示:

 

此外,还有6款分子处在临床研究。

 

跨国药企除内部自研管线,还通过各类交易与合作参与到蛋白质降解领域的药物开发:

 

 

 

行业内有不少生物医药公司在近两年完成了数目不低的早期融资,但是其解决方案大多为杂合双功能分子,具体如下:

 

 

05技术比较(Undruggable Targets Solution)

 

对比TPD药物和传统小分子药,二者具有如下一些特点:

 

Nello Mainolfi and Tim Rasmusson, Ann. Rep. Med. Chem. 2017, Chapter 9

 

对比其他药物形式,TPD药物具有如下特点:

 

Pharmacology & Therapeutics, 2017, 174, 138-144

 

根据行业研究现状,TPD技术在多个领域均有突破的可能性:

Arvinas:Discovery on Target Conference

 

06结语

TPD技术虽然研究火热,但仍旧是个年轻的学科,且具有极大的风险和挑战。在几类技术中,仅分子胶水和广义的疏水标签技术有屈指可数的几款药物上市。而开发其他靶点的全新药物无法通过理性设计的方式获得苗头化合物。因此,如何构建高效可靠的筛选体系是需要重点解决的目标。相比较而言,杂合双功能分子虽可通过部分理性设计获得,但其结构组成复杂,分子药理学、动力学性质仍未构建广泛、系统的认知,这仍旧需要一定时间的积累,才能建立这一领域的know-how。此外,我们知道,在肿瘤治疗领域,细胞通过旁路信号通路激活、蛋白表达调节(上调/下调)等手段躲避药物杀伤,产生耐药。这一类进化生物学问题是否会出现在靶向蛋白质降解领域仍未可知。因此,我们需要时刻保持对这一领域的敬畏,审慎评估药物开发各个阶段的风险,只有通过不断的技术迭代,才能真正实现对undruggable targets的突破!