当Ian Taylor博士在报纸上看到一家新兴生物科技公司将专注于开发靶向蛋白降解剂时，他立即对这家公司产生了浓厚的兴趣。大多数小分子药物通过阻断蛋白的活性位点来抑制蛋白功能，而这家名为Arvinas的公司在寻找为“PROTACs”的小分子，它们能够利用细胞的蛋白降解机制来将蛋白完全销毁。“我对自己说：这太棒了，你可以用它来靶向无法成药的靶标。”Taylor博士回顾道，他当时在辉瑞（Pfizer）肿瘤学部。如今，作为Arvinas公司的生物学高级副总裁，他将负责这一新兴治疗方式的第一项临床试验。
Arvinas公司将开始为使用ARV-110治疗前列腺癌患者的1期临床试验招募患者。ARV-110是一款双功能分子，分子的一端可以与靶标结合——对于这种在研疗法来说是雄激素受体（AR）。而它的另一端可以与E3泛素连接酶结合。连接酶可以为靶标“贴上”泛素的标签，让靶标蛋白被运送到细胞的蛋白酶体进行降解。而今年晚些时候，Arvinas计划启动使用ARV-471治疗乳腺癌的临床试验。它是一款使用同样机制靶向雌激素受体（ER）的靶向蛋白降解剂。
其它公司的靶向降解剂也接近进入临床开发阶段。其中包括诺华（Novartis）公司，该公司靶向尚未透露靶标的靶向降解剂在今年晚些时候也将进入临床期。“业界所有人都在屏息静气，等待这些试验的第一批临床结果，”Jason Imbriglio博士说，他在默沙东（MSD）公司从事靶向降解剂的研究：“这些结果可能真正改变人们对这一技术的看法。”正如药明康德微信团队之前报道中总结的那样，蛋白靶向降解技术正在重定义小分子药物。
这项技术的潜力已经让包括Arvinas，C4 Therapeutics和Kymera Therapeutics等公司专注于改良靶向降解剂的化学特性。大型医药公司也在这一技术领域有大量投入。“每个大型医药公司，甚至每个中型生物技术公司，都在这一领域有内部研发工作，或者合作关系。”Kymera公司的首席科技官Nello Mainolfi博士说。
“2019年到2021年将是这一领域爆发的时期。”C4 Therapeutics公司的首席执行官Andrew Phillips博士说。
除了使用双功能靶向降解剂以外，有些公司致力于利用细胞蛋白酶体机制中的其它部分来达到降解那些不可成药靶标的目的。
Cedilla Therapeutics公司的科学家们在探索更广阔的手段。“细胞中存在调控任何蛋白的丰度的机制，这些机制也会调节功能异常、折叠错误或者合成错误蛋白的丰度，”该公司的首席科学官Brian Jones博士说：“所以我们的出发点是我们不需要人工募集任何蛋白，我们希望能够利用这些内在机制达到同样的效果。”
有些情况下，这可能包括找到能够让蛋白稳定性下降的小分子，这会启动细胞的蛋白质量控制机制。另外，研究人员试图发现和调控控制蛋白稳定性和丰度的上游因子，例如转译后修饰机制。而且，扰乱蛋白与蛋白之间的相互作用和多靶标复合体的生成，可能会让某个靶标出现立体结构上的“孤立”，从而驱动对它的降解。
“我们公司的一个综合目标是确定蛋白降解的规则。”Cedilla公司首席执行官Alexandra Glucksmann博士说。
Mission Therapeutics，Forma Therapeutics等公司的主要研究方向是研发去泛素（DUB）过程的抑制剂。与其募集E3连接酶来提高对特定蛋白的泛素化，这些公司的策略是阻断去除泛素标签，从而保护蛋白不受降解的机制。截至2017年9月，至少有15个DUB抑制剂处于临床前开发阶段。
靶向蛋白降解剂的设计
靶向降解剂最初在1999年开始进入专利文献。当时，Proteinix公司的研究人员递交了使用小分子化合物，利用泛素机制降解特定蛋白的专利申请。两年之后，耶鲁大学（Yale University）的Craig Crews博士和加州理工学院（California Institute of Technology）的Raymond Deshaies博士发表的研究使用了基于多肽的化合物，诱导针对2型蛋氨酸氨肽酶（metaP2）的泛素化和降解的发生。
随着Crews博士和他的同事不断对他们的蛋白降解剂进行改良，这些名为蛋白降解靶向嵌合体（PROTACs）的化合物逐渐从新奇的化合物演变为一种医药模式。到2008年时，他们可以从研发的分子中去除多肽的成分，设计出全小分子降解剂。他们能够与AR结合，并且通过让AR来到名为MDM2的E3连接酶附近，引发蛋白降解。在2013年，Crews博士创建了Arvinas公司来将这一技术进一步开发进入临床期。
同期，研究人员开始揭示免疫调节性的度胺类药物的生物学机制，这些药物包括沙利度胺（thalidomide），来那度胺（lenalidomide）和泊马度胺（pomalidomide）。在发现这些化合物能够与名为cereblon的E3连接酶结合后，研究人员开始考虑探索使用它们作为靶向降解剂的可能。在2015年，当时在丹娜-法伯癌症研究所的Jay Bradner博士与他同事的研究表明，他们可以利用这一活性驱动针对BET家族蛋白的靶向降解。他们把这些降解剂命名为“degronimids”，并且联合创建了C4 Therapeutics公司。
不管这些降解剂的名字是什么，这些靶向降解策略的机制都像一种分子胶水。它们是一种双功能性小分子，通过一个链接，将与靶标结合的部分与募集E3连接酶的部分结合在一起，通过将靶标蛋白与E3连接酶拉到一起，让特异性靶标的泛素化和随后的蛋白降解得以发生。
然而，最初，研究人员无法确定这一策略能否产生能够进入临床试验的小分子。研究人员担心这种分子量大，结构可能比较松散的化合物很难被优化成为具有生物利用度高，高特异性，耐受性好等药物特征的化合物。但是随着第一批化合物即将进入临床试验，它们的前景正变得更为光明。
“它们是一些看起来结构比较异常，甚至可以说滑稽的分子。”Phillips博士说。然而过去几年的研究表明“它们很令人惊讶地具备正常的药学特性。”他补充道。多家公司的内部分析表明，这些化合物可溶性优异，能够渗透进入细胞，可以口服，并且能够抵抗代谢过程的降解，甚至有些可以跨越血脑屏障。
最初研究人员希望靶向降解剂可能成为模块化平台，这意味着任何靶标结合配体能够与一个“即插即用”的链接和E3募集子搭配在一起构成一款药物。然而目前这一愿望还未能实现。
与之相反，业界的研究表明，靶标、降解剂和E3连接酶之间构成的三元结构（ternary structure）非常重要。这个结构最微小的改变可能影响药物的作用方式。在有些情况下，这可以解释为什么有些特异性很差的靶标结合配体当转化为降解剂时却表现出了超强的特异性。而在其它情况下，对任一部件的微小改变能够将降解剂的活性完全消除。
“这不是一个即插即用的系统，”Phillips博士说：“由于合成策略上的原因，化学家们喜欢把一个系统拆分成组成它的每个部件。但是过去几百年的经验反复告诉我们的是，一个系统并不是所有部件的简单叠加，对于降解剂来说也是如此。”Phillips博士说。
因此，C4 Therapeutics公司的策略力图优化化合物激活泛素系统的能力，而不只是将靶标和连接酶拉近的能力。“你当然需要把它们拉到一起，但是那本身是不够的。你还需要激活这个过程，”Phillips博士说：“我们需要对降解剂的作用方式有一个整体上的理解。”
Mainolfi博士指出，只专注于三元复合体的形成可能也是“短视”的。在有些情况下，即使蛋白泛素化成功，也不能保证靶标会被递送到蛋白酶体中进行降解。“还有很多东西我们不知道。”他说。
这一表述也适用于对连接酶的理解。人体中有大约600种E3连接酶，它们有各自独特的活性和分布特征。募集到合适的连接酶与靶标蛋白结合是一个研发项目能否成功的关键之一，Mainolfi博士说。如果一个靶标可以在没有副作用的情况下在全身被敲除，Kymera公司的团队可能会选择一种广泛表达的E3连接酶。然而如果他们需要一个更为宽广的治疗窗口，团队可能会聚焦于倾向在特定组织种类或癌细胞种类中表达的连接酶。不同E3连接酶的亚细胞分布也不一样，这提供了进一步调节特异性的机会。
目前只有5到6种E3连接酶得到公开验证，可以被用在靶向降解剂中，Mainolfi博士说。不过Kymera和其它公司正在对其它E3连接酶进行验证，力图在科学家的工具箱中添加更多工具。
靶向蛋白降解剂的优势
靶向降解剂最大的理论优势是他们能够让原先无法成药的靶标可以被药物靶向。小分子抑制剂通常需要阻断催化位点或者与能够影响蛋白功能的“口袋”结合，然而，靶向降解剂理论上可以与蛋白上的任何角落结合来驱动蛋白降解。“这开启了一部分目前还不能被药物有效靶向的人类生物学。”Phillips博士说。
然而这一手段的局限性可能被人忽略了，他警告说：“目前仍然有很大数量的靶标没有任何配体能够与它们结合。如果没有配体的话，我没办法给你构建一个降解剂。”像Myc这样长时间来都很吸引人的靶点，即使利用降解剂技术，目前仍然无法靶向。”他补充道。
“目前我认为业界还未解决的最重要的问题是：哪些是能够与配体结合的靶标？”Mainolfi博士说。
Bradner博士对这一领域的进展保持乐观，他认为大多数靶标终将能够被靶向。“我的直觉是大多数蛋白的靶向问题可以通过小分子发现化学过程得到解决。这可能通过直接与小分子结合，或者通过一种像分子胶水一样的活性，让一个分子与靶标蛋白交联，”他说：“虽然这只是一个感觉，但是我认为目前没法解决的靶标能够使用这种化学手段解决。”诺华生物医学研究中心（NIBR）的科学家们已经成功针对40多个靶标诱发靶向降解，他说，其中很多靶标曾经被认为不可成药。
由于这一领域竞争非常激烈， 很多公司没有透露它们研究的靶标。然而，从几个公开的靶标中我们也能一窥这一技术的潜力。
Arvinas公司的两款主打候选产品的靶标是AR和ER。这两个靶标都是临床验证过的靶标，而且已经有获批疗法针对这些靶标。该公司首席执行官John Houston博士表示，这是公司的创始人刻意的选择，他们认为这有机会让靶向降解的技术显示出它的潜力，并且通过与其它靶向药物的比较，帮助对这一技术进行优化。Houston博士指出，虽然靶标并不新颖，但是靶向降解技术仍然能够显示出超出传统疗法的优势。
比如对于AR这一靶标来说，获批的小分子药物需要与蛋白一直结合才能抑制蛋白活性，因此，当药物被从体内清除或者替代蛋白过多时，它们的活性就会消失。大部分患者会对AR拮抗剂enzalutamide产生抗性，因为癌细胞可以提高雄激素或者AR的生成水平，或者产生AR突变体。这些患者不再对疗法产生响应。
像其它靶向降解剂一样，ARV-110的活性是基于对靶标蛋白降解过程的催化。这意味着，Arvinas的候选药物可以少于靶标蛋白，而通常的小分子抑制剂的数量要多于靶标。降低药物的使用剂量可能带来更好的副作用特征，Talyor博士解释道。
另一个靶向降解剂的优势在于，即使药物被排出，它们的作用仍然可以得到延续，直到细胞重新合成被降解的蛋白为止。“我们从多个研究项目中获得的数据表明，PROTACs的催化活性，能够让它们降解掉细胞试图生成的新增蛋白。而这通常是癌症的抗性机制之一。”Taylor博士说。在有些情况下，这些药物可能帮助延缓抗性的产生。
当这些临床试验结束后，人们将关注这些非常规降解剂化合物的吸收、分布、代谢和清除特性，看看它们的表现能否达到口服施药的预期。这一领域同时想知道这些药物能够将蛋白水平降低到什么程度，蛋白降解的速度与蛋白的重新合成速度之间的对比，以及这些数据和动物模型中的数据是否吻合。
“靶向降解剂分子的潜力是它们可能将药效学和药代动力学分离开，这意味着短暂的降解剂作用可能导致对信号通路的长久影响，”Bradner博士说：“所以药效学和药代动力学之间的关系将是人们非常有兴趣关注的问题。”
而当这一领域的先驱公布目前仍然保密的药物结构时，其它研究人员将会迅速把从中学到的经验带回到自己的研发项目中。“我很好奇，他们是针对哪些参数进行了优化，才将临床前项目推进到了临床期。我也很想知道他们的化合物长得是什么样子，实话说，我觉得它们的结构跟我们的降解剂的结构很不一样。”Mainolfi博士说。“我们希望最初几个化合物的临床试验结果获得成功。”他补充道。
靶向蛋白降解剂的广阔天地
Kymera公司靶向IRAK4的蛋白降解剂表现出靶向降解剂的另一类近期机会。IRAK4是一种蛋白激酶，它在先天免疫系统中有关键性作用，并且与多种癌症相关。虽然小分子抑制剂能够阻断IRAK4的激酶作用，但是这一蛋白还有一个不依赖于激酶的作用。它可以作为骨架蛋白，帮助先天免疫系统的myddosome蛋白复合体的构建。
“基于遗传敲低和敲除实验，我们认为通过蛋白降解，我们能够达到完全独特而且优于抑制剂达到的表型。”Mainolfi博士说。Kymera公司在去年的美国血液学会年会上发布了IRAK4降解剂的临床前数据，并且计划在2020年上半年将这一项目推进临床期。这一策略也可以被用于其它骨架蛋白，包括RIP蛋白激酶，和其它非酶类蛋白和转录因子。
中枢神经系统的靶标正在成为研究人员探索的方向。例如，药物研发人员已经在试图开发抗体、反义疗法或者基于基因疗法的手段来敲低tau蛋白和α-突触核蛋白。但是这些治疗方式在穿越血脑屏障和施用方式方面都存在挑战，靶向降解剂可能是一种更好的研发方向。Arvinas已经在开发能够穿越血脑屏障的靶向tau蛋白的化合物方面取得了进展。该公司同时在开发靶向α-突触核蛋白的靶向降解剂，用于治疗帕金森病。
C4 Therapeutics和渤健（Biogen）也在今年一月达成合作，共同开发治疗阿兹海默病和帕金森病的靶向蛋白降解疗法。
而这项技术有着更为广阔的前景，Mainolfi博士说：“我们有机会用寡核苷酸和CRISPR疗法目前还不能做到的方法，在全身敲低广泛的靶标。而且我们在达到这一目标的同时，还拥有小分子化合物的可塑性和可扩展性。这可能是药物开发领域最具颠覆性的技术。”
