单克隆抗体药代动力学研究进展及应用

徐冉驰 苗红 郑剑恒

摘 要 单克隆抗体药物在肿瘤治疗领域表现出显著疗效。单克隆抗体药物的结构和生物活性与小分子药物存在显著差异，故体内的吸收、分布、代谢、排泄及毒性过程均表现出与小分子药物不同的药代动力学（pharmacokinetics， PK）特征。本文对单克隆抗体药物PK特征进行总结，并结合抗体免疫原性、糖基化修饰、不同给药方式等因素，对单克隆抗体药物PK特性进行讨论；简述其药代动力学/药效学（pharmacodynamics， PD）（PK/PD）模型在抗肿瘤靶向药物中的研究情况。

关键词 单克隆抗体 药代动力学 免疫原性 药代动力学/药效学模型

中图分类号：R969.1 文献标志码：A 文章编号：1006-1533（2019）13-0073-04

Advances in pharmacokinetic studies of therapeutic monoclonal antibodies and their application*

XU Ranchi1**， MIAO Hong1， ZHENG Jianheng2***（1. Shanghai Pharmaceuticals Holding Co.， Ltd.， Shanghai 201203， China； 2. Key Laboratory of State General Administration of Sport， Shanghai Research Institute of Sports Science， Shanghai 200030， China）

ABSTRACT Monoclonal antibody （mAb） drugs have recently shown significant efficacy in the field of cancer therapy. Their structure and biological activity are significantly different from those of small molecule drugs. Therefore， their absorption， distribution， metabolism， excretion and toxicity processes in the body show different pharmacokinetics （PK） characteristics from small molecule drugs. The unique PK characteristics of mAbs are summarized and discussed in combination with factors such as antibody immunogenicity， glycosylation modification and different modes of administration. The pharmacokinetic/ pharmacodynamic （PK/PD） model in the function of anti-tumor targeted drug study is also outlined.

KEy WORDS monoclonal antibodies； pharmacokinetics； anti-drug antibody； PK/PD model

單克隆抗体（简称单抗）药物因具有治疗靶点特异性强、活性高、安全可控、疗效好等特征，近年来在新药研发中越来越受到重视[1]。自1986年首个单抗药物莫罗单抗-CD3由美国FDA批准上市，目前全球上市的抗体药物已超过80个。单抗血管通透性较差，体内代谢以蛋白质分解为主，且与靶点结合更紧密，因此与小分子药物相比药代动力学（PK）特征存在较大差异，主要表现在吸收、分布、消除以及毒性等过程。同时，选择合适的药代动力学/药效学（PK/PD）结合模型将有助于单抗药物的临床研发。

1 单克隆抗体药物的药代动力学特征

1.1 吸收

单抗分子量较大、膜透过性差、易在胃肠道环境中变性降解，口服生物利用度极低，因此，通过静脉注射、皮下注射或肌肉注射等方式给药。静脉注射后通过淋巴管吸收转运是其最主要的吸收方式，淋巴系统的多孔性利于相对分子量较大的单抗药物在细胞间液对流作用下进行转运，而小分子药物则通常直接吸收进入毛细血管。

单抗药物皮下和肌内给药过程中，在组织间隙和淋巴转运时易受蛋白水解，由此产生“首过效应”，较静脉给药生物利用度降低。孙旭等[2]对重组抗肿瘤坏死因子-α（TNF-α）全人源单抗进行动物药代动力学研究，对皮下和静脉两种给药方式的体内暴露进行比较，结果发现，抗TNF-α全人源单抗的皮下给药生物利用度为77.5%，较静脉注射明显降低。研究表明，给药部位的分解代谢作用、细胞内吞作用、FcRn介导再循环作用等，是影响单抗生物利用度的主要因素。皮下或肌内给药时，单抗因溶解性差及给药体积受限，通常采用多次或多部位给药方式以保证给药的安全性和耐受性[3]。例如，奥马珠单抗皮下给药，临床单次用药剂量需超过150 mg，采用多个注射部位分别注射的给药方案，从而保证最佳药效。利妥昔单抗等皮下制剂为提高给药剂量，辅以透明质酸酶的方式给药，以降解皮肤组织或肿瘤组织中的透明质酸，增强组织的通透性从而有利于药物扩散。单抗药物在皮下或肌肉注射给药方式中，随着给药剂量的增加生物利用度也随之增加，推测是细胞内吞作用或蛋白质分解酶降解过程具有可饱和性导致，对于此类单抗药物可考虑增加给药剂量从而提高生物利用度。

1.2 分布

因单抗分子量大、极性大，体内分布难以通过扩散方式进入组织，主要通过细胞旁路转运或跨细胞转运分布到外周组织。研究表明，单抗药物主要在淋巴系统中以对流转运的方式进行吸收后，再由对流作用以及抗体细胞间的结合作用进行其在组织中的分布。

单抗药物稳态表观分布容积（Vss）在计算过程中，需选择合适的非房室模型或靶点介导药物处置模型（TMDD），用以降低Vss估计值和实测值之间的误差，因组织含量计算需同时考虑细胞间隙的分布以及与组织的结合或者进入细胞的量。有研究对快速结合假设（RB）、准稳态假设（QSS）以及米氏假设等进行总结，建立米氏假设TMDD模型准确描述单抗药物的体内分布数据。

1.3 代谢与排泄

单抗药物肾小球滤过困难，其消除方式多是分解代谢。透过肾小球滤过分子量较小的单抗片段未直接排出体外，而是被肾脏再吸收或被近端小管的细胞代谢。研究表明，单抗体内的代谢消除方式分为Fc受体介导和靶点介导两种。单抗药物临床使用不会导致FcRn受体的饱和，因此，通过Fc介导消除的单抗通常表现出线性特征。研究发现[4]，非人源化抗体在与人体的FcRn相结合时较人源化抗体亲和力低，因此随着人源化程度的增加，单抗体内的消除半衰期（t1/2）显著延长。例如鼠源性单抗莫罗单抗的t1/2为1 d，而人源化单抗阿达木单抗t1/2长达14.7～19.3 d[5-6]。

靶点介导消除机制涉及到单抗与药效靶点间的相互作用。例如受体介导的细胞内吞作用时，一些可溶性的靶点表面具有多个重复表位，能够与两个或以上的抗体结合形成免疫复合物，在细胞吞噬作用下快速地对抗体进行消除。曲妥珠单抗、利妥昔单抗、吉妥珠单抗等表现出的非线性消除特征可能正是基于靶点介导消除机制。由于靶点介导消除方式具有可饱和性，对时间依赖性较强，因此，其在PK特征以及药效关系的影响上相较Fc受体介导的消除方式更具意义。

1.4 毒性

单抗与小分子结构差异明显，其自身具有生物活性，表现出免疫原性、心血管系统毒性、肾脏毒性或其它毒性。利妥昔单抗在临床应用过程中的严重和潜在不良反应常见的是致命性輸液反应、肿瘤溶解综合征、心血管事件等[7]。研究表明[8]，曲妥珠单抗在临床应用过程中出现充血性心力衰竭的心脏毒性。国内单抗新药PD-1（SHR-1210）具有显著的抗肿瘤活性，但血管瘤不良反应严重，发生率高达79.3%。研究表明[9]，大分子蛋白药物临床应用表现出肾脏毒性，造成肾的排泄困难。

单抗药物在临床研发过程中，发现不良反应和药效往往相关。对西妥昔单抗相关性皮疹机制的研究发现，皮疹的发生率高达90%；同时多组临床研究证实，皮疹出现及其程度可能是单抗靶向药治疗临床获益的标志，皮疹越严重，提示药物疗效可能越好。

1.5 免疫原性及糖基化修饰

1.5.1 免疫原性（anti-drug antibody，ADA）

单抗药物在治疗过程中可引起免疫反应，刺激机体产生ADA。ADA的生成将进一步影响到单抗药物的PK特征，增加单抗的体内消除速率。研究表明，ADA对单抗药物PK行为的影响主要是由其表面抗原位点数目所决定，若只有1或2个抗抗体与单抗表面的抗原位点结合，单抗药物将延长至和内源性IgG相似的半衰期；若有3个或以上的抗抗体与单抗结合将形成免疫复合物并很快通过细胞的吞噬作用被消除。

此外，给药方式、剂量、疗程长短等因素与ADA的产生也具有相关性。相对于静脉注射而言，皮下注射以及肌肉注射可能导致更高的免疫原性反应。给药剂量与单抗的免疫原性之间的关系比较特别，随着单抗给药剂量的增加，ADA的生成反而减少。同时，随着用药疗程的增加，ADA的发生概率也会逐渐增加。例如，英夫利昔单抗在给药初的2个月内几乎不产生ADA，而持续用药12个月后，在90%的患者体内均检测到英夫利昔单抗的ADA阳性。

1.5.2 糖基化修饰

糖基化修饰会影响单抗蛋白的性能，对药代动力学，药物稳定性、活性及免疫原性产生影响。由于糖链结构在体外生物合成产生，对其Fab段和Fc段特定的糖基化进行修饰，引入机体内会部分诱发ADA，对抗体药物的体内清除速率产生影响。研究发现，单抗的糖基化结构与药效功能之间关系密切，能够通过影响Fc段功能区的结合作用，对药物的体内消除半衰期产生影响。通过糖基化修饰，针对单抗的半衰期时间进行设计，使得长期用药患者给药频率相应减少[9]。

有研究报道，西妥昔单抗在美国东南部地区使用过程中，约22%的患者发生严重超敏反应。主要原因是糖基化修饰异常，从而造成严重超敏反应的发生。单抗的糖基化修饰影响了临床使用中的安全性，通过糖基化工程可以控制糖型的形成，进一步优化单抗的效应功能和降低免疫原性。

2 PK/PD模型在靶向抗肿瘤药物研究中的应用

在单抗药物的研究过程中，PK/PD模型可以最优化给药剂量的设计、对临床有效剂量进行预测、发现潜在药物的作用靶标、预测血药浓度及靶组织中的药物浓度等，合理地将药物临床前数据推导到临床试验过程中。例如，在曲妥珠单抗和帕妥珠单抗联合用药方案中，结合PK和PD的研究结果，采用序贯治疗方式使稳态血药浓度维持在最低中毒浓度与最低有效浓度之间。

疾病发生部位的生理结构与正常机体组织或器官有差异，导致多数情况下靶组织药物浓度和血药浓度不一致。需建立合适的模型，用以表达发生疾病靶部位的药物浓度和治疗药效的关系。Singh等[10]建立肿瘤处置模型，用于同时表述抗体偶联药物（antibody-drug conjugate， ADC）在血浆和肿瘤中处置过程，并与TDI模型相结合创建PK/PD模型，研究肿瘤中药物浓度与抗癌效应之间的关系。建立合理的PK/PD模型，可准确地预测单抗药物在血液及靶部位的吸收、分布及代谢过程。

PK/PD模型在联合用药中可用于定量描述不同给药条件下多药联用的药效、毒效改变，判断是否存在协同作用，合理地优化用药方案。如在EGFR抑制剂与血管内皮生长因子受体（VEGFR）抑制剂这2个靶向药物的疗效研究中，对血药浓度与肿瘤抑制之间的关系进行定量描述，得出联合用药组疗效远远优于单一用药组的结论。联合治疗中单一组分也可在不影响药效的前提下相应减少用药量，伴随而来的毒性效应也降低。由于单抗药物及其联用的抗体药物、细胞药物及化疗药物种类较多，机制研究尚未完全清晰，故在联合用药过程中需要对其药物体内相互作用进行考察，尤其要重点关注其不良反应。

3 结语

笔者简述了单抗药物的药代动力学研究进展，建立合适的PK/PD模型指导新药研发以及临床合理用药具有重要的意义。然而在实际研究中仍然面临着许多问题和挑战：如何选择合适的药效指标来评价药物的疗效；如何解决具有多靶点或多组分特性药物以及联合用药的PK/PD结合研究；如何更全面地阐述药代-毒代相互关系等。仍需更多的临床前及临床试验提供安全性和有效性数据，进一步解决单抗药物研究中的瓶颈问题。

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