季双敏1，朱校2
1国家食品药品监督管理总局药品审评中心，北京100022；
2新西兰奥塔哥大学药学院，达尼丁9016
季双敏，女，助理研究员，研究方向：生物制品的临床审评。
朱校，通信作者，男，博士研究生，研究方向：定量药理学。
摘要：近年来，国内外诸多企业正在积极地进行单克隆抗体药物的研发和申报。作为一种大分子蛋白药物，单克隆抗体因其特殊的结构和生理性质，在体内的吸收、分布、代谢及排泄与小分子药物相比均存在较大差异。单抗具有的靶点介导的药物处置、非线性药动．代谢、时间依赖性、较长的半衰期等独特的药代动力学特征，使得其在药物研发过程中存在了一系列的挑战。合理的应用模型和仿真技术可帮助研究者充分发掘数据信息、预测临床试验结果、指导临床试验设计以及优化给药方案等，其中靶点介导的药物处置模型在单抗药物研发中的应用目前已有一些探索。本文将通过对单抗药物药动学特征的介绍，探讨靶点介导的药物处置模型在单抗药物研发中应用的可行性和必要性，以期帮助研究者科学、高效地进行单抗类药物的研发。
关键词：单克隆抗体；药代动力学；靶点介导的药物处置
近年来，随着社会经济发展，患者对于临床用药的需求在日益增加，同时，医药政策的改革也为新药研发营造了良好环境。单克隆抗体研发在中国正值勃兴之际，特别是肿瘤免疫治疗领域的突破，掀起了新一轮肿瘤免疫检查点抑制剂研发的热潮。截至2017年10月，已有112项单克隆抗体药物的临床试验在我国“药物临床试验登记与信息平台”上进行了登记[1]。因此，深入了解单抗药代动力学特征及新技术在单抗研发中的应用，对于促进我国单抗药物研发进程具有广泛的意义。
单克隆抗体是B细胞产生的一种免疫球蛋白(Ig)，分为IgA，IgD，IgE，IgG和IgM五大类。目前已批准上市的所有治疗性单抗均为IgG类。IgG包括IgG1、IgG2、IgG3和IgG4四大类，均具有较大的相对分子质量，约为150 000。单克隆抗体对应的靶点既可以是位于细胞膜表面的，也可以是游离的[2]。目前已开发的单克隆抗体根据其人源化程度的不同可分为四大类，不同人源化程度的单抗，有着不同的生理特性，并具有不同的药动学特征[3]。
2004年3月，FDA推出“关键路径计划”，2017年，“在FDA计划如何帮助消费者获益于科学的进步”中特别指出了采用模型化技术的方法推动新药研发[4-5]。在单克隆抗体的代谢中，其与靶点结合形成单抗靶点复合物进行消除是单抗代谢的重要特征之一。1993年，Gerhard Levy首先提出了靶点介导的药物处置(target mediated drug disposition，TMDD)理论[6]。TMDD模型应用房室模型的方法描述单抗线性消除和分布特征，并通过与靶点的结合和解离常数描述单抗的非线性特征部分。与采用典型的米氏( Michaelis-Menten)方式描述非线性特征相较，TMDD模型描述了抗体与靶点的相互作用，帮助我们更加理解其机制，并更好地运用已往研究得到的靶点研究结果。
单克隆抗体在体内的吸收、分布、代谢及排泄的过程中与小分子药物相比均存在较大差异，具有非线性代谢、TMDD、较长的半衰期等药代动力学特征，用药过程中可能产生的抗药物抗体( anti-drug antibodies，ADAs)也会加速单克隆抗体的消除，使得单抗药物的研发过程中存在了一系列的挑战。本文将首先简介单抗与小分子药物的代谢特征的差异，并简述TMDD模型技术在单抗类药物研发中应用的重要性。
1 单抗药物的药代动力学特征
按照单克隆抗体的人源化程度，单克隆抗体可以分为四类：鼠源性单克隆抗体、嵌合性单克隆抗体、人源化单克隆抗体和全人源单克隆抗体。单克隆抗体英文名的尾缀指代了其人源化程度：-momab/monab对应鼠源性单抗；-ximab对应嵌合性单抗；-zumab对应人源化单抗；-umab对应全人源单抗。例如，muromonab作为第一个获批的单抗，为鼠源性的。cetuximab是嵌合性单抗，certol-izumab是人源化单抗，目前处于业内热点的mv-olumab则是全人源单抗。不同人源化程度的单抗，有着不同的生理特性，对应着不同的药动学特征[3]。一般情况下，随着人源化程度的增加，单抗半衰期加长，免疫原性减弱。最新的研究发现，一些嵌合性单抗的免疫原性弱于全人源化单抗。
因单克隆抗体特殊的结构和生理性质，其药动学特征与常见的小分子药物均存在较大的差异，以下将从吸收、分布及代谢消除的角度逐一进行阐述。
1.1 吸收 对于相对分子质量较小的大多数小分子药物(<>给药途径。但单克隆抗体因其超大的相对分子质量(~150 000)和亲水性，口服易受到胃肠道酶的降解，在现有的技术条件下，口服给药可行性较小，通常情况下，单克隆抗体的口服生物利用度不超过1%[7]。目前已上市药物的给药方式均为肠道外给药，主要采用静脉注射（滴注或推注）的方式，给药后药物快速到达全身各部位。也可采用皮下或肌肉注射，由于单抗药物相对分子质量较大，难以通过血管扩散作用进行吸收，目前的研究认为皮下或肌肉注射后单抗主要经由淋巴系统完成吸收过程，由于淋巴液流速缓慢，血药浓度达峰时间Tmax约为1.7-13.5 d，生物利用度为50%~100%，吸收速率常数ka的中位数为约0.217/d[8]。
1.2分布 小分子药物可因其理化性质的不同，有着多种组织和器官分布形态的可能。但是对于单克隆抗体，由于其超大的相对分子质量，它的分布往往局限于血浆和组织间隙。血液中单抗的分布主要通过细胞旁路和跨细胞转运完成，其中跨细胞转运包括受体介导的内吞、吞噬、液相胞饮三种方式[9]。
1.3代谢和排泄 小分子药物主要通过细胞色素P450（CYP450酶）及葡萄糖醛酸基转移酶( UDP-glucuronosyltrans-ferase，UGT)等代谢，有时其代谢产物也具有相应的活性，如利培酮，主要经由CYP2D6酶代谢，其主要代谢产物9-羟基利培酮与原药具有相似的药理活性[10]。同时，肾清除也是小分子药物消除的重要途径之一。但对单克隆抗体而言，不能通过CYP450及UGT等酶代谢消除，肾清除作用也较少。单克隆抗体主要通过以下两大途径进行消除：(1)和内源性的lgG类似，通过蛋白水解酶的异化作用分解代谢为肽类和氨基酸；(2)TMDD。
1.3.1 异化作用 新生儿Fc受体(neonatal Fc-receptor，FcRn)介导的胞内再循环是影响单抗药物异化作用的一个重要因素[11]。在血管内皮细胞和肌肉细胞等细胞中，单克隆抗体通过与FcRn结合，能够避免被溶酶体降低，是单克隆抗体具有较长半衰期的一个原因。单克隆抗体与FcRn的结合具有种属特异性，在lgG类抗体中，IgG1、IgG2、IgG4的半衰期约为18~21 d，IgG3的半衰期约为7d，主要原因为IgG3与FcRn的受体结合率较低[12]。通常情况下，单克隆抗体的人源化程度越高，它与人体FcRn的结合能力越强，相应的半衰期也就越长[13]。在一些半衰期较短的蛋白质药物中，研发者希望能加入细胞内FcRn受体循环的机制，延长药物在患者体内的半衰期。如长效重组人凝血因子Ⅸ(IDELVION⑧)中，通过将重组因子Ⅸ与白蛋白融和，使制品可以经由FcRn进行胞内再循环，将重组凝血因子Ⅸ的半衰期由约13 h显著延长至约100 h，目前该药物已在欧美等多个国家上市[14]。
1.3.2 TMDD TMDD是指单克隆抗体与靶点结合后通过内化作用而消除。该途径的作用程度取决于单克隆抗体的暴露量和靶点量之间的相对大小关系。当单克隆抗体的暴露量远小于靶点量时，该消除途径未达饱和，药物代谢总体呈现为线性药动学特征。当单克隆抗体的暴露远大于靶点量时，该消除途径达到饱和，表现为清除率随着剂量的增大而减小，药物代谢曲线呈现出非线性特征。但当进一步增加单克隆抗体的暴露量时，靶点介导的药物消除途径的作用将远小于异化作用的影响，该消除途径的影响可忽略不计，单抗的药时曲线表现为清除率的减小达到一个平台，总体呈现为线性PK。在实践中，为了达到最优的药效（往往对应最大靶点占有率），单克隆抗体的暴露量将远大于靶点的量，所以后两种情形较为常见。
Fig.1为单抗的典型药时曲线图，其中图中纵坐标在对数化的浓度。第一阶段(A)，药物与靶点间快速形成平衡。第二阶段(B)，靶点处于饱和状态，药物主要通过异化作用消除，该过程是一级动力学过程，所以总体呈现为线性PK。第三阶段(C)，靶点的饱和状态逐步减弱，此时靶点介导药物处置，这一消除途径的影响越来越明显，总体呈现为非线性PK。第四阶段(D)，药物浓度进一步降低，靶点远未达饱和，靶点介导的消除和异化作用都为一级动力学过程，总体又呈现为线性PK[15]。由于检测手段和试验采样设计的限制，在临床实践中，并不一定能观测到单抗消除过程中的所有四个阶段，通常可能只会观察到两个或者三个阶段。
由于单克隆抗体具有潜在的免疫原性( im-munogenicity)，可能诱导人体产生ADAs。ADAs的生成会加速单克隆抗体的消除。通常情况下免疫原性与单抗的人源化程度相关，人源化程度越高，产生免疫原性反应的可能性就越低[16]。
2 TMDD在单抗类药物研发中的意义
2.1 单抗类药物监管中TMDD相关内容 在EMA 2012年出台的《临床使用单克隆抗体的免疫原性评价指导原则》，对单克隆抗体免疫原性的临床后果、影响因素、检测、风险管理进行了阐述，其中，认为PK、PD的测定可帮助确认单抗的免疫原性，并有助于试验过程中的风险管理[30]。在同年出台的《生物类似药指南（包括单克隆抗体．非临床和临床事项）》中，详细阐述了单克隆抗体非临床和临床试验设计中的考虑要点，其中临床试验部分主要包括PK研究（第一步）、PD研究及有效性（第二步）和安全性考虑[31]。作为单抗生物类似药研究的第一步，PK研究中的受试人群的选择、样本量估算等均需充分考虑TMDD的影响；对于存在多个适应症的单抗，通常不要求进行所有适应症的PK对比试验，但若在不同适应症中存在不同的TMDD，则需分别进行PK研究。
在2017年药品审评中心( CDE)发布的关于“贝伐珠单抗注射液生物类似药临床研究设计及审评的考虑”征求意见通知中，对贝伐珠单抗PK研究的进行了深入探讨，基于贝伐珠单抗生物类似药半衰期较长(18~20 d)及免疫原性等特点，推荐在健康男性受试者中采用随机、双盲、两组、平行对照的试验设计进行单次给药的PK比对研究，考虑到多次给药PK比对研究可以间接反映贝伐珠单抗药物剂量依赖和时间依赖性相关的免疫原性，以及酶介导、靶介导、FcRn介导等相关的药物清除，建议在完成单次给药PK比对研究判定相似后，在开展临床有效性比对研究期间，同时考察多次给药的PK特征[32]。
综上，TMDD在单抗临床研究和试验设计中为关键性影响因素之一，因此，我们有必要充分利用已有的单抗相关数据和信息，通过TMDD模型等方式深入地认识和学习TMDD的机制及其在不同适应症中的异同，对于后续单抗临床试验设计具有重要意义。
2.2采用TMDD模型的优势 TMDD在单抗药物的消除过程中，具有重要的影响作用，对于此类药物，采用群体药动学模型和仿真的方法进行分析具有以下优势：
首先，非线性药动学特征在单克隆抗体的体内代谢过程中较为普遍。单纯进行数据驱动( da-ta-driven）的分析，例如，采用米氏(Michaelis-Men-ten)方程进行拟合，即使可以成功拟合数据但并无生理机制的支持，对于模型最终参数生理意义的解读会存在较大的挑战。其次，单克隆抗体主要用于抗肿瘤的临床治疗，其临床I期试验通常会直接在敏感适应症的患者中进行。出于伦理及药效角度的考虑，这对于首次人体试验的剂量( First Dose in Human)选择提出了更高的要求，如何能充分利用地临床前研究结果，进行有效的外推，尤为关键。另外，单克隆抗体的半衰期很长，造成其药动学研究的时间跨度也相应变长，传统意义上的密集采样设计受到了挑战。这对临床试验的优化设计提出了一定的要求。在单抗治疗过程中，其药效可能会反作用于药动。对近几年处于研发热点的免疫检查点抑制剂( nivolumab)的数据分析表明机体对药物的清除能力与病人的应答相关[17]。简而言之，具有更好药效的患者清除率更小。如何理清疾病因素与药物暴露之间的相互作用，从而更好地阐明量效关系来指导临床实践，是一个很大的挑战。
在单抗药物研发存在众多挑战的同时，有存在可加快药物研发过程的机遇：(1)相比于小分子药物的千变万化，单克隆抗体种类有限，结构相似，不同单克隆抗体药物的分布和代谢消除存在诸多共性。即，在进行单克隆抗体药物，研究者将拥有更为丰富可靠的先验知识可以整合进行模型化。所建立模型的生理学意义也更为充分。其中典型的代表就是minimal PBPK模型，在研究中，基于单克隆抗体的特性，对传统PBPK模型进行了有效简化，使之更具实际应用价值[18]。(2)拥有靶点介导药物处置行为的药物，其药动学行为本身即包含了部分药效信息。例如，靶点的占有率可以作为药效学的初步评价，这在药物的早期开发中具有指导意义[19]。
综合以上挑战及机遇，在单抗研究过程中有必要建立基于机制的药动学模型。从另一个角度考虑，模型化过程本身即为对已知信息的一种荟萃分析( Meta-analysis)，这些信息不仅仅包括所采集的药物浓度数据，也包括对于药物本身理化性质的认知（如相对分子质量大小、亲水疏水性等），机体生理的认知（生理参数、异速生长等），同类药物与机体相互作用机制的认知( TMDD等)等等。整合的信息越全面，那么基于模型预测结果进行的推断也更具参考价值。这一理念已在免疫检查点抑制剂Pembrolizumab的开发过程中得到了充分的应用[20]。也希望能将其合理有效地应用于国内正在积极进行的生物药研究过程中。
3 合理运用TMDD模型
本文的主旨在于介绍在单克隆抗体研发过程中，运用模型与仿真技术的可行性和必要性，因此将不在此处具体展开TMDD模型的内容，后续将详细探讨[21-22]。特别值得关注的是，从模型参数拟合的角度出发，TMDD模型经历了一系列的模型简化过程。在Mager和Jusk0 2001年首次提出了全TMDD模型后[23]，Mager和Krzyzanski于2005年提出了TMDD模型的简化模型，quasi-e-quilibrium模型(QE)[24]。接着，Gibiansky等发展了更多简化模型，包括quasi-steady-state模型( QSS)和Michaelis-Menten模型[25]。通过近十几年的发展，TMDD模型库已初具雏形，这有效降低了单克隆抗体建模与仿真的门槛。在大多数情况下，研究者并不需要构想新的结构模型，而是可以从已有的众多TMDD模型中进行选择。合理运用TMDD模型有以下几个要点可供参考：
3.1从研究目的出发 如果是运用TMDD模型来进行临床试验的群体药代动力学分析，简化后的TMDD模型可能更适合这类分析。例如，在denosumab群体药代动力学的分析中，便运用了QSS模型[26]。如果研究目的是首次人体试验剂量的推算，全TMDD模型或是基于生理的TMDD模型更适合用于整合各类临床前信息进行合理外推。例如，研究者运用全TMDD模型成功预测了PF-03446962在人体的PK行为[27]。此外，如果研究目的是对末相半衰期进行估计，QSS模型将不是合理的选择，因为其不能准确预测末相的药动学行为[15]，这种情况下，QE模型将是更好的选择。
3.2考虑数据上的局限 当只有单克隆抗体的浓度数据时，简化后的TMDD模型（QSS模型、QE模型和MM模型）能够被辨识(identifiable)，可以被用来拟合数据，进而估计药物的效价。以AMG 317为例，在仅有药物血浆浓度信息的情况下，研究者采用了QSS模型进行数据分析[28]。此外，当检测技术无法区分结合和未结合的受体或药物时，需要对受体或药物的总浓度进行分析，对应的TMDD模型也需要做相应的调整[21]。而当试验数据并不完整（采样点并不充分，抑或采样种类并不完全）时，MM模型是一种较稳健的模型选择[29]。
3.3考虑药物和靶点性质的影响 每一种简化的模型都有其相应的模型假设。在选择合适的TMDD模型时，需要根据试验药物和靶点的性质，判断各个模型假设成立与否。例如，QE模型不适用于靶点介导消除速率远大于靶点解离速率的情况，此种情况下QSS模型更为合适。常规的TM-DD模型往往假设靶点作用在中央室（出于模型辨识性的考虑），当药物的作用靶点在外周时，minimal PBPK模型就有其独特的优势[18]。
4小结
单克隆抗体在药动学行为上存在很大程度的相似性，相较于小分子药物，其药动学行为更具可预测性。通过近十几年TMDD模型的发展，相关的模型和仿真方法已日渐成熟，为其应用提供了一定的技术支持，建议研究者考虑将模型和仿真技术整合到单抗药物研发过程中，以推进相关药物的研发。
参考文献略
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