ADC药物导致的肺间质性疾病及相关机制分析

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ADC（antibody drug conjugate）药物是一种抗体通过 linker 偶联小分子的药物，由三个部分：antibody，linker 和 payload 组成，能够通过抗体靶向肿瘤细胞所在部位，一旦 ADC 与肿瘤细胞表面的抗原结合，肿瘤细胞内吞 ADC 药物至溶酶体，毒性小分子释放对肿瘤细胞产生杀伤作用。

Antibody：由于 IgG 分子量适中、亲和力强、半衰期长、穿透力强且易于制备，它一直是选择 ADC 抗体的首选 [2]。IgG 的四个亚型：IgG1, IgG2, IgG3 和 IgG4中，IgG1 很容易制备，并且具有细胞内可降解的铰链结构，因此大多数 ADC 都是以 IgG1 为支架构建。作为 ADC 靶向肿瘤的导航系统，ADC 中使用的抗体需要具有弱免疫原性、高目标特异性、高结合亲和力、长半衰期和良好的血液循环稳定性。

Payload：有效载荷也称为“细胞毒性分子”或“弹头”，是影响 ADC 性能和活性的重要因素。目前，payload 的毒素结构包括单甲基尿素E （MMAE），卡利卡霉素，单甲基尿素F（MMAF）、默坦辛（DM1）、SN-38 和 DXd [3]。由于 mAbs 对肿瘤组织的低渗透性、肿瘤细胞抗原的有限表达、ADCs 在血液循环中的低细胞内化和代谢分解，payload 在目标细胞中的积累是有限的（Antibody-Drug Conjugates），所以要求 payload 的内在毒性效力必须非常高。ADC 药物的毒性作用需要进入细胞内发挥，其胞内靶点主要集中在核酸或微管蛋白上[4]。Payload 应具备分子量小，适当的水溶性，含有与 linker 耦合的功能基团，在溶酶体酸性条件下稳定。

Linker：作为 antibody 与 payload 的连接物，linker 在血液循环时需要保持稳定，一旦进入肿瘤细胞，linker 需要立马断开。如果 linker 不稳定， payload 会产生 off-target 效应，对人体正常细胞和组织造成伤害。

ADC与间质性肺损伤

虽然 ADC 药物在临床上的应用取得了很大的成果，但是一些毒副作用也随之出现。

自 2013 年首次批准曲妥珠单抗-Emtansine 偶联物以来，针对人类表皮生长因子受体 2（ERBB2）的抗体药物结合物（ADCs）已成为 ERBB2（HER2）阳性晚期乳腺癌的关键治疗策略。

另一 anti-ERBB2 ADC 药物 trastuzumab deruxtecan 也在 2022 年上市，但是在 Trastuzumab emtansine、trastuzumab deruxtecan 和 trastuzumab duocarmazine 的试验中，已经报告了肺损伤（尤其是间质性肺损伤）有关的死亡，其发生率不一。

理论上，ADC 药物导致的肺损伤可能与以下四个因素有关：（1）ADC 的靶向依赖性摄取；（2）健康细胞对 ADC 的靶向非依赖性摄取；（3）癌细胞释放的游离 payload 的旁观者杀伤效应；（4）ADC 的去共轭导致的 payload 进入血液循环。

（图引自文章PMID: 34647966）

Kazuyoshi Kumagai 等人发现 trastuzumab deruxtecan 剂量依赖性地导致成体猴产生间质性肺炎（ILD），但是小分子 deruxtecan 处理并没发现肺毒性 [4]。ERBB2 被证明在正常人肺气道位置表达，但是 ILD 发生在肺泡水平 [5]，据此可推测 ADC 导致的 ILD 是因为靶点非依赖性作用所导致，并且可以排除小分子 DXD 去共轭后的血液循环影响。肺巨噬细胞或许是药物性肺损伤的一个关键。

肺泡上皮细胞与巨噬细胞共培养模型

肺泡巨噬细胞占肺部免疫细胞的 55%，位于肺内表面。发育过程中，肺泡的生成与更新与巨噬细胞的富集与极化有关。同时，巨噬细胞的极化、凋亡以及炎症因子的释放与急性肺损伤及肺纤维化有关。

当肺部遭到刺激，肺泡巨噬细胞（AMs）会通过释放成纤维细胞生长因子（FGF）和细胞因子激发炎症反应，但如果刺激延长，长时间 FGF 的释放会有助于成纤维细胞的过度增殖和纤维化，从而导致肺纤维化病变 [6]。

Stephanie Kletting 等建立了永生的人肺泡上皮细胞系（hAELVi）与巨噬细胞系（THP-1）的共培养体系 [7]，表明 hAELVi-/THP-1 共培养体系可以作为对吸入的化学品、药物和纳米颗粒进行安全和渗透性研究的模型。

Ana Costa 等建立了体外人 air-blood-barrier 模型。基于三个不同的人类细胞系（NCI-H441、HPMEC-ST1.6R 和 dTHP-1）的组合，建立了一个气溶胶沉积和药物或纳米载体运输体外模型，此模型对于脂多糖（LPS）刺激产生促炎反应 [8] 。

J B Mangum 等建立了原发性大鼠肺泡 Ⅱ 型细胞和早期通道大鼠肺成纤维细胞在涂有胶原蛋白的聚碳酸酯过滤器的两侧共培养模型，通过部分 "模拟" 肺泡壁的方法，以研究细胞毒性和生物活性物质从肺泡空间转移到肺间质的机制 [9]。该研究发现大鼠肺泡巨噬细胞仍有活力，在上皮单层的表面有一些扩散。这种共培养系统未来将应用于研究活性氧如何影响上皮屏障，以及如果单层完整或受伤，巨噬细胞衍生的生长因子是否能影响成纤维细胞的增殖。

肺巨噬细胞在间质性肺损伤中的作用

肺泡细胞和肺间质巨噬细胞在特发性肺纤维化 （Idiopathic pulmonary fibrosis, IPF）的发病机制中起着关键作用，药物或者炎症刺激使产生促炎症和/或纤维化的细胞因子。

T Nagai 等人的研究表明炎症性巨噬细胞表达叶酸受体 β（folate receptor, FR β），而正常组织中的常驻巨噬细胞不表达或低水平表达 FR β [10]。通过检查表达 FR β 的巨噬细胞在普通型间质性肺炎（ UIP，IPF 的组织学类型 ）患者和博莱霉素诱导的肺纤维化（ PF ）小鼠肺部的分布，发现表达 FR β 的巨噬细胞主要存在于 UIP 患者和博莱霉素诱导的 PF 小鼠的肺部纤维化区域。向小鼠鼻内注射重组免疫毒素，包括抗小鼠 FR β mAb 的免疫球蛋白重链和轻链 Fv 部分以及截短的假单胞菌外毒素 A，可明显增加肺纤维化小鼠存活率，减少博莱霉素诱导的 PF 中总羟脯氨酸和纤维化水平。在 IHC 分析中，观察到免疫毒素处理组产生 TNF-α、趋化因子 CCL2 和 CCL12 的细胞数量减少。这些发现表明，表达 FR β 的巨噬细胞在IPF中具有致病作用。因此，可以说明炎症性巨噬细胞的形成对肺纤维化和肺炎症有着主导治病作用。

肺部巨噬细胞的促炎反应或许是 ADC 药物导致的肺间质性疾病的诱因，肺泡上皮细胞或肺泡类器官与肺巨噬细胞共培养模型可作为 ADC 药物临床前应用安全性评价的关键，不过，考虑到 ADC 导致的肺损伤具有发生率不一致的情况（ Trastuzumab deruxtecan，Advanced ERBB2-positive breast cancer，在 257 个病人中出现 27 (10.5) 例间质性肺炎患者，Trastuzumab deruxtecan，Advanced ERBB2-positive and ERBB2-expressing colorectal cancer，在 78 例病人中出现 5 (6.4) 例间质性肺炎患者其中 2 (2.6)例死亡）[11]，安全性评价样本量应该有所扩增。

展望

目前 ADC 药物对癌症的靶向治疗取得了明显的成效，通过 ERBB2 导向的 ADCs 递送靶向细胞毒药物，现已证明对其它多种 ERBB2 高表达的癌症有益，其中包括一些 ERBB2 低表达的肿瘤。然而，这些药物可能引起的肺部损伤需要广泛注意，应继续探索防止肺部毒性的策略，以改善抗 ERBB2-ADCs 的治疗情况，并将这些重要药物安全地整合到早期和晚期癌症患者的治疗中。

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参考资料：

1. Jin Y, Schladetsch MA, Huang X, Balunas MJ, Wiemer AJ. Stepping forward in antibody-drug conjugate development. Pharmacol Ther. 2022;229:107917.

2. Harper J, Mao S, Strout P, Kamal A. Selecting an optimal antibody for antibody-drug conjugate therapy: internalization and intracellular localization. Methods Mol Biol. 2013;1045:41-9.

3. Chen H, Lin Z, Arnst KE, Miller DD, Li W. Tubulin Inhibitor-Based Antibody-Drug Conjugates for Cancer Therapy. Molecules. 2017;22(8).

4. Yaghoubi S, Karimi MH, Lotfinia M, Gharibi T, Mahi-Birjand M, Kavi E, et al. Potential drugs used in the antibody-drug conjugate (ADC) architecture for cancer therapy. J Cell Physiol. 2020;235(1):31-64.

5. Press MF, Cordon-Cardo C, Slamon DJ. Expression of the HER-2/neu proto-oncogene in normal human adult and fetal tissues. Oncogene. 1990;5(7):953-62.

6. Lemaire I, Beaudoin H, Masse S, Grondin C. Alveolar macrophage stimulation of lung fibroblast growth in asbestos-induced pulmonary fibrosis. Am J Pathol. 1986;122(2):205-11.

7. Kumagai K, Aida T, Tsuchiya Y, Kishino Y, Kai K, Mori K. Interstitial pneumonitis related to trastuzumab deruxtecan, a human epidermal growth factor receptor 2-targeting Ab-drug conjugate, in monkeys. Cancer Sci. 2020;111(12):4636-45.

8. Costa A, de Souza Carvalho-Wodarz C, Seabra V, Sarmento B, Lehr CM. Triple co-culture of human alveolar epithelium, endothelium and macrophages for studying the interaction of nanocarriers with the air-blood barrier. Acta Biomater. 2019;91:235-47.

9. Mangum JB, Everitt JI, Bonner JC, Moore LR, Brody AR. Co-culture of primary pulmonary cells to model alveolar injury and translocation of proteins. In Vitro Cell Dev Biol. 1990;26(12):1135-43.

10. Nagai T, Tanaka M, Hasui K, Shirahama H, Kitajima S, Yonezawa S, et al. Effect of an immunotoxin to folate receptor beta on bleomycin-induced experimental pulmonary fibrosis. Clin Exp Immunol. 2010;161(2):348-56.

11. Tarantino P, Modi S, Tolaney SM, Cortes J, Hamilton EP, Kim SB, et al. Interstitial Lung Disease Induced by Anti-ERBB2 Antibody-Drug Conjugates: A Review. JAMA Oncol. 2021;7(12):1873-81.

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