隨著PD-1抗體藥物歐狄沃(英文商品名: Opdivo, 英文通用名:Nivolumab)已于8月28號在中國進(jìn)入鋪貨銷售階段,國內(nèi)肺癌患者終于可以使用到這一革命性的抗癌藥物。作者由于工作原因,過去一年多里閱讀了一些這個(gè)藥物的開發(fā)歷程的文獻(xiàn)。發(fā)現(xiàn)之前中文報(bào)道中,多少有些和作者了解到的事實(shí)有所出入,特撰此文,供大家討論。
第一部分:PD-1的發(fā)現(xiàn)和PD-1功能的鑒定
1992年,日本科學(xué)家TasukuHonjo?(本庶佑) 從小鼠上分離、鑒定了PD-1基因,得到了小鼠PD-1蛋白,這一成果發(fā)表在1992年的EMBO雜志上(1)。在這篇文章中,本庶佑認(rèn)為屬于免疫球蛋白超家族的PD-1的活化會導(dǎo)致T細(xì)胞的凋亡,這也是PD-1蛋白的命名由來(Programmed Death-1)。本庶佑在這篇文章中公布了PD-1蛋白的序列,隨后幾年接連發(fā)表了一系列研究PD-1的成果,如1994年他找到了人類PD-1基因和蛋白(2),并在1999年首先提出PD-1是一個(gè)免疫系統(tǒng)的負(fù)調(diào)控因子(3)。這一成果在當(dāng)時(shí)并未引起學(xué)界太多重視,就連本庶佑本人也是以B細(xì)胞的發(fā)育和功能作為自己的主要研究方向。
2000年,在丹娜法伯癌癥研究院(Dana-Farber Cancer Institute, DFCI,隸屬于哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院)工作的Gordon Freeman和本庶佑作為第一作者和通訊作者,共同闡述了PD-1/PD-L1對人體T細(xì)胞的調(diào)控作用,這一領(lǐng)域才逐漸引起重視(4)。在這篇文章中,F(xiàn)reeman等人不僅發(fā)現(xiàn)了屬于B7蛋白家族的PD-L1蛋白是PD-1的配體,還首先證明了 PD-L1通過結(jié)合PD-1,抑制了T細(xì)胞的增殖和分泌細(xì)胞因子功能。Freeman關(guān)注到PD-1并非偶然,他和妻子Arlene Sharpe一直從事B7蛋白家族的研究。他們先前就通過生物信息學(xué)的辦法找到了很多和B7蛋白基因相似的B7蛋白家族成員。根據(jù)CTLA-4蛋白會和B7家族的B7-1、B7-2蛋白結(jié)合, PD-1蛋白又和CTLA-4結(jié)構(gòu)有類似片段,同屬一個(gè)蛋白家族等已知信息,F(xiàn)reeman推測自己發(fā)現(xiàn)的B7蛋白家族中,可能有PD-1的配體。當(dāng)時(shí)PD-1尚未成為熱門研究領(lǐng)域,沒有商業(yè)化的PD-1蛋白供實(shí)驗(yàn)用,F(xiàn)reeman于是和本庶佑合作,就此發(fā)現(xiàn)了PD-L1和PD-1在免疫系統(tǒng)里的負(fù)調(diào)控功能。Gordon Freeman 79年哈佛博士畢業(yè)后就加入了DFCI,從博士后做起。本庶佑1984年開始就在東京大學(xué)任職,先前中文報(bào)道里有不少說Gordon Freeman是本庶佑的博士后,這個(gè)說法應(yīng)不是事實(shí)。
華裔學(xué)者陳列平教授當(dāng)時(shí)也從事B7家族蛋白的研究,通過和Freeman類似的生物信息學(xué)方法,他于1999年12月首先發(fā)表了PD-L1的基因及蛋白序列(5),在這篇文章中,陳列平以B7H1稱呼PD-L1蛋白。遺憾的是陳列平?jīng)]有找到B7H1的配體,而且標(biāo)題中認(rèn)為B7H1是共刺激T細(xì)胞的增殖,這和后來多數(shù)人的認(rèn)知略有不同。陳列平的文章比Freeman早10個(gè)月公布。Freeman的相關(guān)專利于1999年8月提交,比陳列平早3個(gè)月,在這個(gè)專利中Freeman也公布了PD-L1的序列,可以認(rèn)為陳列平和Freeman幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了PD-L1蛋白。后來陳列平于2002年發(fā)表文章,指出大多數(shù)腫瘤細(xì)胞通過表達(dá)PD-L1實(shí)現(xiàn)免疫逃逸(6),這為開發(fā)PD-1/PD-L1藥物用于癌癥治療提供了重要理論依據(jù)。
在發(fā)現(xiàn)PD-1/PD-L1通路對T細(xì)胞有負(fù)調(diào)控作用后,當(dāng)時(shí)科學(xué)家們普遍認(rèn)為這條通路可能用于自身免疫疾病藥物的開發(fā),2001年6月左右,本庶佑與小野制藥(ono pharmaceutical)一起提交了一項(xiàng)國際專利:substance specific to human PD-1(7)。在這個(gè)專利保護(hù)下,任何物質(zhì),只要特異性與人PD-1蛋白結(jié)合,就侵犯了本庶佑和小野制藥的專利。這個(gè)專利在今天可能不會被批準(zhǔn):專利的內(nèi)容主要是PD-1的基因和蛋白序列,沒有列出證據(jù)證明阻斷PD-1可以用作免疫療法。這個(gè)專利的影響,隨后還會提到。
第二部分:Medarex的研發(fā)過程
2001年初,王常玉從Chiron公司作為研發(fā)科學(xué)家加入Medarex公司,在Chiron期間,王常玉研發(fā)了CD-40抗體,這個(gè)產(chǎn)品今天還在諾華公司的開發(fā)管線里。此時(shí)Medarex的CTLA-4抗體開發(fā)已進(jìn)入后期,公司開始考慮后續(xù)項(xiàng)目。基于下述幾點(diǎn)原因,Medarex的開發(fā)團(tuán)隊(duì)選中了PD-1/PD-L1作為新靶點(diǎn)開發(fā)腫瘤免疫藥物:
十多年后回過頭看,當(dāng)時(shí)Medarex在這個(gè)項(xiàng)目上承擔(dān)了巨大的風(fēng)險(xiǎn):PD-1不是研究的熱點(diǎn),除了本庶佑團(tuán)隊(duì)的成果外沒有什么文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)提供理論支持。Medarex在立項(xiàng)和開發(fā)時(shí)也沒有得到任何外部人員的協(xié)助和指導(dǎo),他們立項(xiàng)時(shí)甚至不知道本庶佑已經(jīng)申請了關(guān)于PD-1的專利。Medarex對PD-1的認(rèn)識也有一定局限性,并沒有預(yù)測到PD-1抗體會成為新一代廣譜性、革命性的抗癌藥物。這也埋下了日后出售自己的種子。
除此以外,當(dāng)時(shí)該項(xiàng)目的研究條件不充分,所有的實(shí)驗(yàn)材料都要靠Medarex團(tuán)隊(duì)自己解決。王常玉帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)啟動這個(gè)項(xiàng)目時(shí),PD-1,PD-L1, PD-L2這三個(gè)靶點(diǎn)蛋白都要自己動手PCR克隆基因并表達(dá)蛋白,而無法外購。當(dāng)時(shí)很多實(shí)驗(yàn)條件也不成熟,需要在實(shí)踐中摸索,最先攻克的是PD-L1的基因克隆和蛋白表達(dá),所以在Medarex的內(nèi)部代號里,PD-L1項(xiàng)目的代號是MDX-1105,反而排在PD-1項(xiàng)目MDX-1106前面,MDX-1107則是PD-L2項(xiàng)目的代號。
借助Medarex當(dāng)時(shí)已有的人源化小鼠抗體平臺,Medarex的研究人員用PD-1、PD-L1和PD-L2蛋白注射小鼠,并從小鼠脾臟里分離到了能生產(chǎn)上述抗體的B細(xì)胞,再通過融合B細(xì)胞和骨髓瘤細(xì)胞,就得到了能長期穩(wěn)定產(chǎn)生上述抗體的雜交瘤細(xì)胞株。這項(xiàng)工作由是雜交瘤組的吳儀和黃海春協(xié)助完成。
通過測序知道篩選到的PD-1抗體的可變區(qū)后,Medarex團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新的序列,將PD-1抗體的可變區(qū)與IgG4恒定區(qū)結(jié)合,同時(shí)將IgG4恒定區(qū)的228位點(diǎn)絲氨酸替換成脯氨酸,解決了天然IgG4抗體在體內(nèi)的不穩(wěn)定性問題。這樣就得到了Nivolumab。
MDX-1106在抗體篩選階段是比較順利的,2001年初立項(xiàng),同年底就拿到了先導(dǎo)抗體。隨后的臨床前開發(fā)工作花費(fèi)了大量的時(shí)間,比如建立體外活性檢測方法、小鼠動物模型及食蟹猴毒理實(shí)驗(yàn)方法等等。PD-1在當(dāng)時(shí)仍屬全新領(lǐng)域,基礎(chǔ)科研缺乏積累,團(tuán)隊(duì)必須在一片空白中進(jìn)行開拓性的研究,在實(shí)踐中探索全新的實(shí)驗(yàn)方法。其中主要難點(diǎn)在于找到一個(gè)可靠的魯棒性體外實(shí)驗(yàn)方法以評估抗體的功能和活性,經(jīng)過一年多的努力,終于完成了方法的建立。隨后的動物模型實(shí)驗(yàn)也多有波折,當(dāng)時(shí)主流的小鼠腫瘤模型對PD-1抗體基本沒有應(yīng)答,直到2004年底才在MC38腫瘤模型上觀察到了一定療效。如今全球各地的PD-1/PD-L1抗體開發(fā)項(xiàng)目多會使用MC38腫瘤模型。
出于公司知識產(chǎn)權(quán)等方面的考慮,Medarex在完成Nivolumab的研發(fā)后,只通過專利的形式對Nivolumab進(jìn)行了保護(hù),未立刻發(fā)表文章。直到2014年Nivolumab上市前夕才發(fā)表文章,詳細(xì)介紹了Nivolumab的篩選和鑒定過程及食蟹猴毒理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(8),此文第一作者是王常玉。按照文中提及的團(tuán)隊(duì)分工,王常玉負(fù)責(zé)這個(gè)項(xiàng)目的概念設(shè)計(jì)、試驗(yàn)方法的開發(fā)等等工作以及項(xiàng)目的監(jiān)督,是Nivolumab毫無爭議的第一發(fā)明人。
2003年1月,本庶佑和小野制藥的專利(7)公布了,Medarex意識到自己的PD-1抗體可能繞不開這個(gè)專利,作為早期研發(fā)型公司也需要合作伙伴分?jǐn)偢甙旱呐R床開發(fā)費(fèi)用,雙方于2005年5月13日宣布達(dá)成合作協(xié)議(9),新聞稿中明確提到使用小野制藥的PD-1專利和Medarex的抗體開發(fā)平臺以共同開發(fā)PD-1抗體。根據(jù)雙方的協(xié)議,小野制藥獲得了PD-1抗體除北美以外的全球權(quán)益,而Medarex保留了PD-1抗體在北美的商業(yè)權(quán)益。有理由相信,本庶佑和小野制藥并未重視PD-1單抗的臨床價(jià)值。2011年,收購了Medarex的百時(shí)美施貴寶公司(BMS),沒花什么代價(jià)就從小野制藥換回了PD-1抗體在歐洲和中國的商業(yè)權(quán)益(10)。Nivolumab在中國開始銷售的頭兩天的銷售額金額已超過1.5億元人民幣,這恐怕遠(yuǎn)出乎簽署協(xié)議雙方的意料。
2004年前后,Medarex一方面和小野制藥展開談判,一方面也在構(gòu)建自己的專利保護(hù)壁壘,趕在雙方達(dá)成協(xié)議前的2005年5月9日,提交了多份和PD-1相關(guān)的專利:Methods for treating cancer using anti-pd-1 antibodies(11)、Human Monoclonal Antibodies To Programmed Death 1(PD-1) And Methods For Treating Cancer Using Anti-PD-1 Antibodies Alone or in Combination with Other Immunotherapeutics(12)、Methods for treating cancer using anti-PD-1 antibodies in combination with anti-CTLA-4 antibodies(13)等等。先前有不少中文報(bào)道中認(rèn)為小野制藥參與了PD-1抗體的開發(fā),一個(gè)理由就是上述專利中有小野制藥的名字。事實(shí)上,上述幾份專利的申請機(jī)構(gòu)和發(fā)明人均來自Medarex,與小野制藥完全無關(guān)。權(quán)利人中包含小野制藥的原因是2014年6月,BMS和小野制藥為了準(zhǔn)備起訴默沙東,雙方交叉持有相互授權(quán)對方一系列專利,從而在這些專利上添加了小野制藥。如果這些中文報(bào)道能看看專利的變遷過程,可能會有不同的結(jié)論。
2014年9月4日,在默沙東公司的PD-1單抗Keytruda獲得美國FDA批準(zhǔn)的當(dāng)夜,BMS向默沙東公司提起了訴訟,稱默沙東的Keytruda侵犯了BMS/小野制藥關(guān)于PD-1抗體用于治療癌癥的系列專利。
2017年1月20日,BMS/小野制藥公司宣布和默沙東就PD-1單抗的專利訴訟簽署了一項(xiàng)和解及全球?qū)@S可協(xié)議(14):默沙東要向BMS/小野制藥支付6.25億美元的首付款,以及在2017~2023年間Keytruda銷售額的6.5%,2024~2026年間Keytruda銷售額的2.4%,BMS和小野將按75/25的比例分成。粗略估算默沙東總共將支付超過60億美元。
第三部分:進(jìn)入臨床
2006年8月,Medarex的PD-1抗體MDX1106獲得美國FDA批準(zhǔn)進(jìn)入臨床I期試驗(yàn),首批計(jì)劃入組39名癌癥復(fù)發(fā)的病人(15)。需要指出的是,Medarex的PD-L1抗體MDX1105也是全球首個(gè)進(jìn)入臨床階段的PD-L1抗體,于2008年8月獲得美國FDA批準(zhǔn)進(jìn)入臨床I期,首批計(jì)劃入組286名癌癥復(fù)發(fā)的病人(16)。MDX1105的臨床試驗(yàn)結(jié)果后來發(fā)表在新英格蘭雜志上(23),遺憾的是BMS主動放棄了MDX1105的后續(xù)開發(fā)。
作為一個(gè)全新的腫瘤免疫藥物,MDX1106早期的臨床試驗(yàn)幾經(jīng)周折,由于對腫瘤免疫藥物的不了解,最初的臨床試驗(yàn)終點(diǎn)選擇了傳統(tǒng)靶向藥物的臨床試驗(yàn)終點(diǎn):無進(jìn)展生存期(PFS)和客觀應(yīng)答率(ORR)。腫瘤免疫藥物在這兩點(diǎn)上并不比傳統(tǒng)靶向藥物具有太多的優(yōu)勢。免疫藥物的真正優(yōu)勢:藥效持續(xù)時(shí)間長,應(yīng)答的癌癥病人存活期長,且有很大幾率實(shí)現(xiàn)臨床治愈等優(yōu)勢,要到臨床試驗(yàn)進(jìn)行好幾年以后才能被觀察到。Medarex管理層也對公司的未來有了疑慮,2009年,BMS以28億美元收購了Medarex,Medarex最終沒能獨(dú)立運(yùn)營到PD-1藥物大放光彩,成為新一代廣譜性革命性抗癌藥物的那一天,這是讓人扼腕嘆息的。
上述臨床試驗(yàn)的結(jié)果于2010年第一次公布(17),參與臨床試驗(yàn)的病人中,一位結(jié)直腸癌患者實(shí)現(xiàn)了完全緩解,一位黑色素瘤患者和一位腎癌患者實(shí)現(xiàn)了部分緩解。另有兩位黑色素瘤患者的腫瘤也得到了顯著縮小。隨后2012年在新英格蘭雜志上的后續(xù)結(jié)果更是驚艷:18%的非小細(xì)胞肺癌患者、28%的黑色素瘤患者和27%的腎癌患者得到了緩解,起效的病人中有66%的療效持續(xù)超過一年(18)。結(jié)合之后Medarex在各種醫(yī)學(xué)年會的報(bào)告,這一臨床結(jié)果引起了行業(yè)的重視,引來了同業(yè)的覬覦。
默沙東公司翻箱倒柜發(fā)現(xiàn)自己也有一個(gè)扔在后院垃圾堆里的PD-1抗體,來自于2009年5月并入默沙東的先靈葆雅公司。而先靈葆雅則從2007年收購荷蘭?Organon時(shí)獲得(19)。據(jù)福布斯日后的采訪,Organon的PD-1抗體在2003年才開始構(gòu)思,遠(yuǎn)落后于Medarex的MDX1106, 一開始的定位也是自身免疫性疾病(如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎)的輔助用藥,而非癌癥用藥。隨著兩次收購帶來的組織結(jié)構(gòu)重組和研發(fā)重心變遷、癌癥免疫藥物的進(jìn)展挫折不斷,Organon的團(tuán)隊(duì)已被告知PD-1抗體的研發(fā)工作應(yīng)予終止。但是2010年的BMS臨床試驗(yàn)改變了一切,默沙東公司在意識到PD-1抗體在癌癥治療上的巨大空間后重啟了自己的PD-1抗體項(xiàng)目(代號MK-3475),并于2010年12月獲得批準(zhǔn)進(jìn)入臨床試驗(yàn)。
BMS后來宣稱:為了追趕進(jìn)度,默沙東不惜從BMS的前雇員Stephanie Schulman那里獲得機(jī)密信息(20),BMS為此對上述雙方都提起訴訟。在得知BMS不會在黑色素瘤適應(yīng)癥上快速推進(jìn)PD-1抗體,以避免和自家已有的CTLA-4抗體Yervoy在黑色素瘤適應(yīng)癥上的競爭后。默沙東公司采用了一個(gè)激進(jìn)的臨床方案設(shè)計(jì):代號Keynote001的臨床I期試驗(yàn)不斷擴(kuò)大入組人數(shù),從最初不到10人變成1260人。并用臨床I期試驗(yàn)的結(jié)果在美國申請了上市批準(zhǔn),MK-3475于2014年9月4日獲得批準(zhǔn),反而在黑色素瘤適應(yīng)癥上進(jìn)度上超過了BMS,以Keytruda為商品名成為第一個(gè)在美國上市銷售的PD-1抗體。
而BMS的PD-1抗體Nivolumab,以商品名Opdivo的名字于2014年6月在日本獲得批準(zhǔn)用于治療黑色素瘤,成為全球第一個(gè)被批準(zhǔn)的PD-1藥物,隨后于2014年12月在美國獲得批準(zhǔn),2015年3月以創(chuàng)紀(jì)錄的速度在申報(bào)后四天內(nèi)得到美國FDA批準(zhǔn),用于治療鉑化療后依然進(jìn)展的轉(zhuǎn)移性鱗狀非小細(xì)胞肺癌。
后記
從本庶佑1992年發(fā)現(xiàn)PD-1蛋白,到2014年Nivolumab上市,中間經(jīng)歷了22年,即使從2000年明確PD-1/PD-L1的功能算起也經(jīng)歷了14年,藥物研發(fā)的艱巨,可見一斑。毫無疑問,PD-1/PD-L1的發(fā)現(xiàn)要?dú)w功用于本庶佑等人,本庶佑很可能會因此獲得諾貝爾獎,但從Nivolumab的發(fā)現(xiàn)過程也可看出,作為基礎(chǔ)科學(xué)家,他們對這個(gè)藥物的開發(fā)并無太多貢獻(xiàn)。本庶佑和Freeman等人可能在之后的很多年都一直沒意識到PD-1/PD-L1對癌癥治療的作用。
另一個(gè)例子是CTLA-4蛋白,之前一直認(rèn)為,活化后的T細(xì)胞表面高表達(dá)CTLA-4蛋白,當(dāng)抗原遞呈細(xì)胞表面的B7家族蛋白(B7-1,B7-2)結(jié)合CTLA-4后,就起到抑制T細(xì)胞活化的作用。于是人們推測,CTLA-4單抗通過阻斷CTLA-4與B7家族蛋白結(jié)合而負(fù)調(diào)控對T細(xì)胞的抑制。從而發(fā)揮抗腫瘤作用。2018年5月馬里蘭大學(xué)的劉陽和鄭盼指出,這個(gè)假說可能是錯(cuò)的(21、22)。在這兩篇文章中,他們指出,CTLA-4抗體是通過清除腫瘤局部的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞,而不是阻斷CTLA-4/B7信號通路來實(shí)現(xiàn)治療癌癥的療效。這并不影響CTLA-4單抗成為一個(gè)年銷售過10億美元的重磅炸彈藥物。有理由揣測,不遠(yuǎn)的將來可能會有人發(fā)現(xiàn),PD-1抗體的抗癌療效并不完全是因?yàn)樽钄郟D-1/PD-L1通路,而是另有門徑。
中國的制藥行業(yè)正在試圖轉(zhuǎn)型進(jìn)軍創(chuàng)新藥開發(fā),在為陳列平、王常玉等華人在腫瘤免疫領(lǐng)域做出的成功自豪的同時(shí),這一領(lǐng)域曲折的幾十年里可能也有一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)對中國的創(chuàng)新藥行業(yè)有用。創(chuàng)新藥離不開基礎(chǔ)科研的積累,創(chuàng)新藥的開發(fā)過程和基礎(chǔ)科研的關(guān)系更像是果樹與土地的關(guān)系。沒有深厚的基礎(chǔ)科研的積累,很難產(chǎn)生創(chuàng)新藥。美國至今仍是基礎(chǔ)科研實(shí)力最雄厚的國家,絕大多數(shù)的創(chuàng)新藥也誕生在美國,這就好像貧瘠土地上的果樹,難以長出豐碩的果實(shí)。但是沒有果樹的土地里也沒法憑空長出水果來,最多長幾顆山藥蛋。沒有本庶佑等人發(fā)現(xiàn)PD-1的功能,Opdivo的誕生無從談起。沒有Medarex團(tuán)隊(duì)獨(dú)具慧眼研發(fā)PD-1抗體用于癌癥治療,本庶佑這一成果是否會淹沒在故紙堆里我們今天已不得而知,從Organon自己的PD-1抗體項(xiàng)目來看,恐怕是兇多吉少。基礎(chǔ)科學(xué)家和新藥開發(fā)公司的定位不同,評估新藥的臨床意義和商業(yè)意義,不是基礎(chǔ)科學(xué)家的職責(zé),也不應(yīng)該去期待基礎(chǔ)科學(xué)家能完成創(chuàng)新藥的研制和開發(fā)。Medarex團(tuán)隊(duì)篩選到抗體僅僅用了1年多,但是建立評價(jià)抗體功能的方法體系又花了2年,臨床試驗(yàn)更是花了8年。默沙東公司在臨床試驗(yàn)上的大膽設(shè)計(jì),讓原本進(jìn)度落后4年的項(xiàng)目能和BMS最后同時(shí)沖線。一個(gè)藥物從實(shí)驗(yàn)室走向市場,后續(xù)開發(fā)的重要性不比前期篩選低。從Medarex和小野制藥的談判結(jié)果不難看出,Medarex一開始就意識到PD-1抗體的重要性,和小野制藥的合作手法多少有點(diǎn)合縱連橫的味道,而小野制藥則多少有點(diǎn)被蒙在鼓里。隨著國內(nèi)創(chuàng)新藥的發(fā)展,創(chuàng)新藥公司必然會開展一系列的外部合作,如何開展商務(wù)拓展,相信對國內(nèi)大多數(shù)創(chuàng)新藥公司都是一個(gè)挑戰(zhàn)。
參考文獻(xiàn):
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