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臨床上使用的大多數(shù)藥物都是基于小分子的。與傳統(tǒng)的小分子抑制劑和拮抗劑不同，蛋白質(zhì)降解技術(shù)由于能夠誘導(dǎo)治療靶點(diǎn)蛋白質(zhì)的降解，近年來發(fā)展迅速，為新藥的開發(fā)提供了新的思路。
PROTACs（PROteothesis-Targeting Chimeras）的概念最早由Crews等人提出。 2001年，PROTACs可以利用體內(nèi)天然的蛋白質(zhì)清潔系統(tǒng)來降低蛋白質(zhì)水平而不是抑制蛋白質(zhì)功能，從而治愈疾病。 PROTAC是一種異雙功能分子，看起來像啞鈴，分子的一端連接到結(jié)合靶蛋白的配體，一端連接到E3泛素連接酶，中間有合適的接頭。 PROTAC對(duì)目標(biāo)蛋白的降解是通過泛素蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）實(shí)現(xiàn)的：PROTAC分子與目標(biāo)蛋白（POI）和E3連接酶結(jié)合形成三元復(fù)合物，對(duì)目標(biāo)蛋白進(jìn)行泛素化標(biāo)記，泛素化蛋白被泛素化酶識(shí)別并降解。細(xì)胞內(nèi)蛋白酶體26S。
2022年6月9日，清華大學(xué)饒宇教授團(tuán)隊(duì)在Nature旗下Signal Transduction and Targeted Therapy雜志上發(fā)表了題為“ PROTACs：學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的巨大機(jī)遇（2020年至2021年更新） "的綜述文章，詳細(xì)介紹了 近兩年PROTAC技術(shù)的研究進(jìn)展，總結(jié)了PROTAC針對(duì)癌癥、病毒感染、免疫疾病、神經(jīng)退行性疾病的代表性新靶點(diǎn)。
近20年來，PROTAC領(lǐng)域進(jìn)入了快速發(fā)展期，特別是2015年以Pomalidomide為E3連接酶配體的dBET1 PROTAC成功降解BET蛋白以來，近兩年P(guān)ROTAC相關(guān)研究論文不斷涌現(xiàn)。經(jīng)歷了爆發(fā)式增長。 2019年，饒宇團(tuán)隊(duì)總結(jié)了40多個(gè)據(jù)報(bào)道被PROTAC降解的蛋白質(zhì)靶點(diǎn)。近兩年新增了約90個(gè)可被PROTAC降解的蛋白靶點(diǎn)，涵蓋癌癥、免疫紊亂、病毒感染、神經(jīng)退行性疾病等疾病領(lǐng)域，其中癌癥是主要應(yīng)用領(lǐng)域。
圖2.近兩年P(guān)ROTAC相關(guān)研究的快速發(fā)展
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
據(jù)統(tǒng)計(jì)，基于PROTAC技術(shù)的不同降解劑可降解約54種激酶，占總靶點(diǎn)的45%。激酶已被優(yōu)選作為蛋白質(zhì)降解的靶標(biāo)，主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)激酶具有已知且有效的抑制劑或配體，可以輕松修飾以連接接頭并保持足夠的結(jié)合親和力。此外，激酶具有深層結(jié)合袋，可促進(jìn) PROTAC 的結(jié)合，從而誘導(dǎo)激酶與 E3 連接酶的相互作用，進(jìn)而泛素化并最終降解激酶。此外，盡管激酶蛋白具有高度同源性，PROTAC 仍可以選擇性降解不同激酶亞型。
迄今為止，已發(fā)現(xiàn)518種激酶，參與細(xì)胞生存、增殖、分化、凋亡、代謝等多種生理調(diào)節(jié)過程。如下圖所示，這些激酶根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能可以分為九類，即受體酪氨酸激酶（RTKs）、TKL激酶（TKLs）、STE激酶（STEs）、CAMK激酶（CAMKs）、AGC激酶(AGC)、CMGC 激酶 (CMGC)、非典型蛋白激酶、CK1 激酶 (CK1) 等。其中，紅色標(biāo)記的是人類可降解激酶，具有現(xiàn)有的PROTAC降解劑。受體酪氨酸激酶（RTK）和CMGC激酶（CMGC）的PROTAC降解劑最為發(fā)達(dá)，分別有19個(gè)和14個(gè)，占總數(shù)的一半以上。相比之下，CK1 激酶 (CK1) 和 CAMK 激酶 (CAMK) 尚未開發(fā)出 PROTAC 降解劑。
圖 3. 基于 PROTAC 技術(shù)的可降解人類激酶及其分類
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
由于PROTACs是在POI抑制劑的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此仍然存在一定程度的脫靶效應(yīng)。由于PROTAC的分子量較大，其細(xì)胞膜通透性差和藥代動(dòng)力學(xué)（PK）特性大大降低了其生物學(xué)和治療效果。此外，有些PROTAC雖然能有效誘導(dǎo)靶蛋白降解，但其生物學(xué)作用較弱，對(duì)疾病沒有有效作用。最后，大多數(shù)蛋白質(zhì)沒有相應(yīng)的小分子綴合物來設(shè)計(jì)PROTAC，例如在疾病發(fā)展中發(fā)揮重要作用的轉(zhuǎn)錄因子。由于轉(zhuǎn)錄因子的抑制劑很少，因此在設(shè)計(jì)靶向轉(zhuǎn)錄因子的PROTAC時(shí)沒有可用的粘合劑。這極大地限制了PROTAC技術(shù)的應(yīng)用。 為了解決上述問題，近年來出現(xiàn)了不同類型的PROTAC技術(shù)，例如抗體-PROTAC、適體-PROTAC綴合物、雙靶點(diǎn)PROTAC、葉酸籠式PROTAC和TF-PROTAC。
Antibody-PROTAC是一種探索新型抗體-PROTAC綴合物與抗體組裝的新策略。該技術(shù)能夠?qū)Σ煌?xì)胞和組織中的蛋白質(zhì)進(jìn)行特異性降解，從而優(yōu)化治療窗口，減少廣譜 PROTAC 的副作用，并增加其作為藥物或化學(xué)工具的潛力。
適配體是具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的單鏈核酸，主要包括莖、環(huán)、發(fā)夾和G4聚合物。它們通過氫鍵、范德華力、堿基堆積力、靜電效應(yīng)等特殊作用與靶蛋白結(jié)合，具有較高的特異性和親和力，可提高傳統(tǒng)PROTAC的水溶性、膜通透性和腫瘤靶向性。
在癌癥的發(fā)生和發(fā)展過程中，通常有多種因素共同作用，包括不同種類的激酶和生長因子，它們可以獨(dú)立作用，也可以通過信號(hào)網(wǎng)絡(luò)相互干擾。該方法主要是設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)合兩個(gè)或多個(gè)藥效團(tuán)的單一分子，同時(shí)靶向兩個(gè)或多個(gè)抗腫瘤靶點(diǎn)。
葉酸受體 α (FOLR1) 在正常組織中表達(dá)較低，但在許多人類癌癥中表達(dá)較高。葉酸籠式 PROTAC 是另一種提高 PROTAC 靶向特異性的技術(shù)。基本原理是將葉酸基團(tuán)引入PROTAC分子中，實(shí)現(xiàn)在靶細(xì)胞和組織中的釋放。該技術(shù)中，葉酸通過細(xì)胞內(nèi)源性水解酶的作用釋放出活性PROTAC，然后降解劑誘導(dǎo)目標(biāo)蛋白的降解。
轉(zhuǎn)錄因子（TF）是一類參與基因表達(dá)和調(diào)控的蛋白質(zhì)，也是癌癥治療的潛在靶點(diǎn)。與傳統(tǒng)激酶不同，轉(zhuǎn)錄因子不具有激酶或其他酶中常見的活性口袋或變構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)，這使得它們難以被小分子抑制劑靶向。由于TF可以結(jié)合特定的DNA序列并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄過程，因此理論上可以靶向具有不同DNA序列的TF而不是小分子抑制劑。因此，TF-PROTAC將靶向蛋白的小分子配體替換為相應(yīng)的DNA序列，從而形成TF-PROTAC，靶向特異性TF，并誘導(dǎo)其降解，從而調(diào)節(jié)特異性TF的水平和生物學(xué)功能。
與其他藥物和療法相比， PROTACs具有許多潛在的優(yōu)勢，例如廣泛的組織分布和口服給藥。與其他療法（如細(xì)胞療法、抗體藥物等）相比，PROTAC的生產(chǎn)工藝更為簡單。與小分子藥物相比，PROTAC可以靶向更多小分子藥物無法靶向的靶點(diǎn)，從而產(chǎn)生更好的療效。因此，PROTAC技術(shù)受到業(yè)界高度關(guān)注，并開始應(yīng)用于癌癥、免疫紊亂、病毒感染、神經(jīng)退行性疾病等藥物研發(fā)，其中以癌癥領(lǐng)域的應(yīng)用為主一。
PROTACs作為一項(xiàng)新興且有前景的技術(shù)，在以下方面顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
首先，PROTAC 對(duì)耐藥靶點(diǎn)表現(xiàn)出異常的敏感性。傳統(tǒng)上，化療一直是癌癥治療的主要手段，但化療藥物的獲得性耐藥性阻礙了臨床應(yīng)用并導(dǎo)致疾病復(fù)發(fā)。后來開發(fā)出激酶抑制劑，免疫療法也暴露了耐藥性的問題。由于PROTAC通過清除整個(gè)靶蛋白來影響蛋白功能，包括酶促活性功能和非酶促功能，因此該技術(shù)有望解決當(dāng)前治療面臨的潛在耐藥性。
其次，PROTACs有潛力瞄準(zhǔn)“不可成藥的目標(biāo)"。大多數(shù)小分子藥物或大分子抗體需要與酶或受體的活性位點(diǎn)結(jié)合才能發(fā)揮作用；然而，據(jù)估計(jì)，人體細(xì)胞中 80% 的蛋白質(zhì)都缺乏這樣的位點(diǎn)。 PROTAC 可以通過任何角落和縫隙抓住目標(biāo)蛋白質(zhì)。
第三，PROTACs可以影響非酶功能。傳統(tǒng)的小分子藥物通常通過消除其靶標(biāo)的酶活性來發(fā)揮作用。越來越多的研究表明，PROTACs具有擴(kuò)大靶點(diǎn)“可成藥空間"并控制蛋白酶和非酶功能的潛力。
PROTAC 與其他治療技術(shù)的比較
（來源：信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和靶向治療）
Arivinas由Craig Crews創(chuàng)立，進(jìn)行 PROTAC技術(shù)的藥物開發(fā)。 近兩年， Arivinas公司開發(fā)的針對(duì)雄激素受體（AR）的PROTAC抑制劑ARV-110和針對(duì)雌激素受體（ER）的PROTAC抑制劑ARV-471在前列腺癌和乳腺癌中得到了臨床驗(yàn)證，分別是PROTAC技術(shù)應(yīng)用的里程碑。
除了作為研究工具外，PROTAC 在疾病治療方面也具有巨大的應(yīng)用潛力。它已成為一種新的藥物發(fā)現(xiàn)模式，有潛力將傳統(tǒng)藥物發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌闹匕醑煼?。截?022年3月，如下表所示，全球已有十余種PROTAC藥物進(jìn)入臨床開發(fā)階段。其中Arvinas的ARV-110和ARV-471已進(jìn)入臨床II期，是PROTAC藥物中臨床進(jìn)展最快的。
表1. 全球臨床和IND階段基于PROTAC技術(shù)的蛋白降解候選藥物匯總
（Signal Transduct Target Ther, 7(1): 181.）
與其他藥物和療法相比，PROTACs具有許多潛在的優(yōu)勢，例如廣泛的組織分布和口服給藥。與其他療法（如細(xì)胞療法、抗體藥物等）相比，PROTAC的生產(chǎn)工藝更為簡單。與小分子藥物相比，PROTAC可以靶向更多小分子藥物無法靶向的靶點(diǎn)，從而產(chǎn)生更好的療效。因此，PROTAC技術(shù)受到業(yè)界高度關(guān)注，并開始應(yīng)用于癌癥、免疫紊亂、病毒感染、神經(jīng)退行性疾病等藥物研發(fā)，其中以癌癥領(lǐng)域的應(yīng)用為主一。由克雷格·克魯斯 (Craig Crews) 創(chuàng)立的阿里維納斯 (Arivinas) 是第一個(gè)推出該藥物的公司PROTAC技術(shù)的發(fā)展。近兩年，Arivinas公司開發(fā)的針對(duì)雄激素受體（AR）的PROTAC抑制劑ARV-110和針對(duì)雌激素受體（ER）的PROTAC抑制劑ARV-471在前列腺癌和乳腺癌中得到了臨床驗(yàn)證，分別是PROTAC技術(shù)應(yīng)用的里程碑。
盡管PROTAC在過去20年中發(fā)展迅速，但仍有許多挑戰(zhàn)需要解決。這些挑戰(zhàn)主要來自兩個(gè)方面，即PROTAC分子設(shè)計(jì)和成藥性的優(yōu)化，以及生物活性的綜合評(píng)價(jià)。第一個(gè)是關(guān)于 PROTAC 的分子設(shè)計(jì)和成藥性，涉及靶蛋白配體、新的 E3 連接酶配體和新的接頭。二是生物活性評(píng)價(jià)，涉及PROTAC分子的篩選、成藥性評(píng)價(jià)和藥理評(píng)價(jià)。這些問題目前還沒有現(xiàn)成的答案，但相信隨著更多生物學(xué)、藥理學(xué)和臨床研究的發(fā)展，新的評(píng)價(jià)方法和體系將逐步建立來解決這些問題。相信未來會(huì)有越來越多的PROTAC進(jìn)入臨床前和臨床研究，這將進(jìn)一步測試PROTACs的治療效果。預(yù)計(jì)未來PROTAC技術(shù)將為人類疾病治療和生命健康帶來裨益。
PROTAC 開發(fā)中常用的接頭是 PEG。Biopharma PEG是一家專業(yè)的PEG衍生物供應(yīng)商，提供多功能PEG衍生物作為PROTAC連接體。我們擁有 3000 多種高純度PEG 連接體庫存，為客戶的制藥和生物技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的聚乙二醇化、生物共軛、ADC 藥物開發(fā)提供支持。
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