PROTAC挑战与制剂策略：探索口服递送的新机会
PROTAC挑战与制剂策略：探索口服递送的新机会
蛋白降解靶向嵌合体（PROTAC）作为新一代药物分子，通过靶向传统小分子抑制剂难以靶向的蛋白质，为现代医学提供了新的机会。然而，PROTAC的开发面临着诸多挑战，其中最大的挑战之一就是如何实现有效的口服递送。本文将探讨PROTAC的分子特性及其面临的挑战，并介绍通过制剂策略克服这些挑战的新机会。
PROTAC概述
蛋白降解靶向嵌合体（PROteolysis TArgeting Chimeras, PROTAC）是一种具有异双功能的小分子，通过利用细胞内的泛素-蛋白酶体系统（UPS）来实现蛋白质降解，最终实现疾病治疗的目的。PROTAC分子通常由三个部分组成：一个与目标蛋白结合的配体、一个与E3连接酶结合的配体，以及一个连接这两个配体的linker。
尽管PROTAC自提出便引起了医药行业广泛兴趣，但这类化合物从实验室到进入临床仍花费了大约20年，直到最近几年才取得了显著进展。其中两个重要里程碑事件分别为：2019年首个口服PROTAC化合物ARV-110进入临床试验，以及2022年ARV-471 III期临床试验启动。
继ARV-110和ARV-471后，至少有19种PROTAC分子在2020年至2022年期间陆续进入临床（图1），PROTAC药物的疗效正在逐步被验证。
图 1 PROTAC临床在研药物
PROTAC面临的挑战
为什么耗时近20年第一个PROTAC化合物才进入临床？这主要归因于以下几个方面：
UPS药理学工具的缺乏：尽管人体内有600种E3连接酶，但目前可开发应用的只有MDM2、IAP、VHL、CRBN等少数几种。临床在研PROTAC使用最多的是CRBN连接酶（临床在研21个药物中有11个使用的CRBN）。因此，发现新的E3连接酶配体将有助于扩大PROTAC的靶标空间。
异双功能结构违反类药5原则：类药5原则（Ro5）是辉瑞公司资深药物化学家Christopher A. Lipinski在1997年提出的筛选类药分子的基本法则。符合Ro5的化合物通常会有更好的药代动力学性质，在生物体内表现出更高的生物利用度，因而也更有可能做成口服药物。然而，PROTAC具有异双功能结构，其理化数据通常会部分违反Ro5。例如，ARV-110的4个分子性质（MW、HBA、TPSA、NRB）违反了Ro5原则。
生物药剂学分类系统（BCS）IV类化合物：很多PROTAC药物属于BCS IV类化合物，即溶解度和渗透性较低，口服吸收挑战大。为了改善BCS IV化合物的口服吸收，制剂方法主要集中在增强溶解度/溶出度。
PROTAC药物性质
体外表征及计算机预测
作为一类独特的违背Ro5化学结构，PROTAC显示出低的水溶解度。由于它们的低水溶解度和非特异性结合，许多成熟的小分子体外分析方法并不适用于PROTAC。特别是体外渗透性分析仍然是一个巨大挑战，没有可靠的渗透性数据，使PROTAC的临床剂量和人体口服吸收的预测变得困难。
体内溶解性
尽管PROTAC化合物具有不理想的Ro5理化性质，但在临床前阶段仍能实现可接受的口服药代动力学性质。在渗透性较难提高的情况下，溶解度成为了优化PROTAC化合物口服生物利用度的重要参数。为了了解体内受溶解度限制吸收的程度，通常在早期发现阶段会对进食状态模拟肠液（FeSSIF）和空腹状态模拟肠液（FaSSIF）中的溶解度进行测试。据报道，生物介质溶解度，特别是在FeSSIF中，明显高于水溶液（pH 7.4）中的溶解度。此外，ARV-110和ARV-471在临床给药方案是与食物一起服用。综合上述因素，推测PROTAC药物在进食状态下肠道中具有较高溶解度，可能有助于在临床前动物实验中观察到可接受的曝露量。
PROTAC临床前制剂方案
生物药剂学分类系统（Biopharmaceutics Classification System，BCS）是早期药物发现阶段评估口服吸收风险的有利工具。与BCS相似，药物可开发性分类系统（Developability Classification System，DCS）也根据溶解度和渗透性将化合物分为四类（图2）。不同的是，DCS对评价指标进行了优化，其结合了生物介质相关的溶解度，并假设500毫升作为估计的体内总体积。此外，引入了溶解度限制的可吸收剂量（Solubility-Limited Absorbable Dose，SLAD），进一步将DCS II分为IIa（剂量低于SLAD）和IIb（剂量高于SLAD）两类。DCS IIa药物的口服吸收可能主要受到溶解速率的限制，而DCS IIb和DCS IV药物的吸收可能受到溶解度的限制。
图 2 DCS分类
原则上，盐/共晶策略或减少粒径有助于改善DCS IIa化合物的溶解性。而对于DCS IIb和DCS IV化合物，则需要增溶策略。主要的增溶策略包括但不限于：无定形固体分散体，脂质基制剂和纳米颗粒。值得指出的，对于DCS IV化合物，尽管渗透性也影响了药物的生物利用度，但改善溶解性仍是提高生物利用度最主要的策略。如前文所述，使用制剂方法增强渗透性仅在某些多肽中被证明是有效的，而对于小分子药物，渗透性的解决更多还是通过合理的分子结构设计。
无定形固体分散体
无定形固体分散体(ASD)是改善难溶性药物口服生物利用度最成熟的手段之一，目前已有二十多款ASD产品获批。ASD将活性药物成分(API)分散在聚合物基体中，实现API以无定形形态稳定存在。聚合物不仅在储存过程中稳定热力学不稳定的无定形药物，而且还可以作为沉淀抑制剂，通过防止药物溶解后沉淀，使药物在胃肠道中保持过饱和状态，这种效应通常被称为“弹簧和降落伞效应”（图3）。ASD方法在提高PROTAC药物生物利用度方面，最值得关注和期待。
图 3 药物在ASD中的高能量状态的示意图及其与晶型药物相比潜在的“弹簧和降落伞”效应
根据药物开发阶段的不同，ASD的制备策略可能会发生变化。喷雾干燥和热熔挤出是商业规模生产中最常用的两种方法。然而，当API供应有限时，这些方法可能不适合临床前配方开发。共沉淀和真空压缩成型法可节省API的使用，更适合药物发现和早期开发。此外，Kinetisol、3D打印和电纺丝技术等新技术也在逐渐引起大家的关注。
脂质基制剂
脂质基制剂（Lipid-Based Formulations，LBFs）已被证明可以有效提高水溶度差的药物口服生物利用度。据2017年发表的一篇文章中的统计，FDA已获批LBFs产品已达36款。LBFs可保持药物分子在整个消化过程中呈溶解状态，通过增强溶解度和/或维持过饱和来增加口服吸收。
口服LBFs可分为四类（见图4）。典型的口服LBFs成分包括但不限于脂类、水不溶性表面活性剂、水溶性表面活性剂和助溶剂。从I型到IV型亲水性含量增加，I型以油性为主，IV型为无油性。LBFs的表现形式从简单的溶液或药物在油性载体中的悬浮液到更复杂的自乳化药物输送系统（SEDDS），这些系统是脂质、乳化剂和共溶剂的多组分混合物，形成各向同性预浓缩物。LBFs作为预浓缩物给药并在肠道中温和搅拌下分散后形成SEDDS。根据配方类别，可以通过体外试验筛选和表征LBFs，例如分散、消化和/或生物相关的溶解度实验。然而，这些体外试验可能无法预测LBFs在体内的表现，因为LBFs缺乏一般的体外-体内关系。
图 4 LBFs分类及特征
纳米颗粒
药物纳米颗粒因其尺寸显著减小而增加了溶解速度和饱和溶解度，成为另外一种提高难溶性化合物口服生物利用度的技术，在药物发现和开发中得到了广泛的应用。与其他药物递送纳米技术（如聚合物微球、脂质体和纳米乳）相比，药物纳米颗粒的一个关键优势在于其载药量高，所需的辅料少。药物纳米颗粒可以是晶型，也可以是无定形，其中晶型药物纳米颗粒应用更为广泛并且已有多款获批药物，包括阿瑞吡坦（Emend）、非诺贝特（Tricor）、西罗莫司（Rapamune）、甲地孕酮（Megace ES）等。相比之下，由于无定形通常物理稳定性较差，导致无定形药物纳米颗粒的制备更具挑战性。据作者了解，目前暂无无定形药物纳米颗粒获得FDA批准，无定形药物纳米颗粒技术的规模化应用还有待验证。
总结
PROTAC以及其他违背Ro5小分子药物，需要创新技术来克服分子量大、物理化学性质不佳带来的挑战。LBFs、ASD和纳米颗粒技术为常用增溶策略，在PROTAC早期研究中具有较高的应用潜力。ASD作为BCS IV口服小分子的一线制剂策略，长期以来，一直被用于解决难溶性小分子的溶解度限制的吸收差问题。
晶云药物是一家专注于小分子药物晶型和制剂开发和生产的CRO/CDMO公司，已帮助客户完成超过20个PROTAC药物的晶型筛选和评估、制剂开发等服务。至今为止，我们成功筛选得到PROTAC药物晶型、盐型或共晶的比例超过90%。根据客户的需求，晶云药物CDMO事业部（晶云星空）利用无定形固体分散体平台和增溶增渗技术，与多家客户做了探索性的合作。目前，在动物身上已取得良好的数据，生物利用度显著提升。如有PROTAC药物晶型筛选和评估、制剂开发相关需求，欢迎垂询。