提高PROTAC药物口服生物利用度的7大策略解析

与传统的小分子药物相比，蛋白降解靶向嵌合体即Proteolysis-Targeting Chimeras（在上下文中简称为“PROTAC”）在作用机理上，具有两大优点:

高效：

PROTAC降解靶蛋白的过程类似催化剂的作用，在低药物浓度下即有效。它直接降解靶蛋白，而靶蛋白功能的恢复需要重新合成蛋白，使其疗效可持续更长的时间。

能够靶向“不可成药”的靶点:

与小分子抑制剂不同，PROTAC与药物靶点的结合并不总是需要有理想的活性结合位点来抑制目标蛋白的功能，它可以结合任意位点。比如一些致病的功能失调蛋白，包括核受体、转录因子、骨架蛋白等，由于缺乏典型的活性位点，很难被常规的小分子药物所抑制但可以被PROTAC靶向。

尽管PROTAC具有明显的优势，但其DMPK性质仍然存在一些问题。有良好药理活性的PROTAC往往会因为较差的药代动力学性质而令人失望。在这篇文章中，我们将探讨其面临的DMPK挑战，特别是在提高口服生物利用度方面提供一些策略，希望为PROTAC研发人员带来新的思路。

一、PROTAC的发展及作用机制

PROTAC技术的发展始于2001年，2001年至2018年被认为是PROTAC发展的昨天。这段时间，PROTAC的作用机理被阐释，用于成药的E3连接酶及配体被发现，临床前药效被证实。2019年，全球第一、二个PROTAC分子进入I期临床成为标志性事件。2020年，这两个进入临床的PROTAC分子披露临床数据，给该类分子的研发带来很大的希望。2021年之后，PROTAC进入了蓬勃发展的阶段。目前，PROTAC分子已经被工业界和学术界广泛探索，其治疗领域已经从癌症扩展到免疫性疾病、神经退行性疾病和病毒感染^[1]等。

图1. PROTAC的发展历史^[2]

PROTAC分子由三部分组成：一端为与靶蛋白结合的配体、另一端为与E3连接酶结合的配体、中间通过连接子Linker相连。与传统的通过抑制来阻断靶蛋白功能的小分子药物不同，PROTAC通过与靶蛋白和E3连接酶特异性结合，拉近靶蛋白和E3连接酶的距离，通过泛素-蛋白酶体系统(UPS)诱导靶蛋白降解。PROTAC的作用过程被称为“化学敲除”途径。

二、PROTAC面临的DMPK挑战

PROTAC之所以面临诸多DMPK研究挑战，主要由于PROTAC是一类违反类药5原则（Rule of Five，也称为Lipinski规则）的小分子化合物。类药5原则是一套用来筛选化合物“可成药性”的指南，即当化合物结构具有5个以上的氢键供体、超过10个氢键受体、分子量大于500、log P大于5或可旋转键大于10时，化合物很可能具有较差的吸收或渗透性。由于其结构特点，PROTAC通常属于类药5原则以外的化学空间。PROTAC分子量高（一般在700-1200 Da之间）、溶解度差、渗透性低，这些都为提高体内口服生物利用度带来挑战。为此，研发人员必须优化PROTAC的物理化学和药代动力学性质。

三、提高PROTAC口服利用度的策略

随餐给药

溶解度是影响药物口服物利用度的决定因素之一。PROTAC本身的水溶性差，亲脂性较强，不利于肠道吸收。研究发现，PROTAC在模拟肠液，尤其是餐后模拟肠液中的溶解度大大提高^[3]。这一结果提示PROTAC化合物在进食后给药可能会获得更好的体内药物暴露。ARV-110和ARV-471的临床试验设计也揭示了这两种PROTAC分子的一期临床给药模式为“每日一次，随餐给药”。

图2. PROTAC在不同Buffer中的溶解度^[3]

图3. ARV-110和ARV-471临床给药方式

优化Linker结构提高PROTAC渗透性

渗透性是影响口服生物利用度的另一决定性因素。药物的口服吸收需要通过小肠上皮细胞的膜屏障；为了降解细胞内蛋白，PROTAC也需要进入靶细胞。研究表明，用1,4-二取代苯环取代PEG Linker可以显著提高PROTAC的细胞通透性^[4]。

优化Linker结构提高PROTAC代谢稳定性

化合物经肠道吸收后，在到达体循环之前首先会经肝脏或肠道代谢，这被称之为首过代谢，它限制了药物的口服吸收。为了提高PROTAC的口服生物利用度，提高代谢稳定性以减少首过代谢也是一种有效的方法。研究发现，改变Linker的长度、锚点，使用环状的Linker或改变Linker的附着位点等多种策略已被研究用于提高PROTAC的代谢稳定性^[5]。

图4. 优化Linker提高PROTAC代谢稳定性^[5]

选择更小的E3连接酶配体

PROTAC的性质与E3连接酶配体的类型密切相关。据报道，应用于PROTAC的E3连接酶配体主要有CRBN、VHL、IAP和MDM2，其中以CRBN和VHL使用频率最高。从下图可以看出，CRBN与VHL配体相比，体积更小。含有VHL配体的PROTAC由于分子量更大，通常口服吸收较差^[6]。含有CRBN配体的PROTAC分子量更小，更类似于“口服药物”。进入临床II期的两个PROTAC分子ARV-110和ARV-471都是CRBN E3连接酶配体。寻找分子量更小的新的E3配体是非常值得探索的。

图5. 常见的CRBN配体和VHL配体结构

引入分子内氢键

PROTAC通常具有高极性和多个可旋转键，这种结构通常难以透过细胞膜的脂质双分子层。最近的研究发现，分子内氢键的形成可以通过减小PROTAC的极性分子表面积来提高其细胞渗透性。在分子内氢键等作用下，PROTAC分子由细长的条形变成折叠的构象^[7]，使之更容易透过细胞膜的脂质双分子层。具体可见文章：PROTAC成药性研究：溶解度和渗透性研究策略解析。

应用前药策略

前药设计是提高药物口服生物利用度的常用方法。通过对具有药理活性化合物的结构修饰得到前药。前药本身活性小或无活性，在体内通过酶催化释放出有药理活性的母体药物。针对PROTAC分子设计前药的一个潜在问题是可能会进一步增加PROTAC的分子量。化学家们通过在一个PROTAC分子的CRBN配体上添加亲脂基团，设计得到其前药。结果表明，该前药设计使PROTAC的生物利用度显著提高^[8]。这是一种基于CRBN配体设计的前药，该设计也可用于其他具有类似E3配体的PROTAC。

图6. 前药设计提高PROTAC口服生物利用度^[8]

分子胶

PROTAC由三个部分组成:两个独立的配体和一个Linker。这样的异质双官能团分子使其具有较大的分子量。化学家们不断探索新的策略来降低分子量，使PROTAC更“类药”。分子胶与PROTAC相比，被认为是一种更“致密的分子”，它们也可以像PROTAC一样触发三元复合物的形成。由于这些原因，分子胶比PROTAC具有更好的类药特性^[9]。

图7. 分子胶和PROTAC作用机制比较^[9]

总结

PROTAC技术的发展为药物研发提供了前所未有的治疗选择，其中最令人兴奋的是它们靶向“不可成药”靶点的潜力。尽管业界对一些晚期临床研究持乐观态度，但研发人员仍然面临着在不损害药效的前提下优化PROTAC药代动力学行为的挑战。本篇文章中总结了提高PROTAC口服生物利用度的策略。

通过对PROTAC分子的结构修饰，如修饰Linker，引入分子内氢键，前药设计；以及选择合适的给药方式，如随餐给药等，可以提高PROTAC分子的口服生物利用度。期待学术界及工业界的药物研发人员鼎力合作，争取早日解决PROTAC在药代动力学面临的挑战，释放PROTAC药物的巨大潜力。

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作者：胡婕，马利萍

编辑：方健，钱卉娟

设计：倪德伟