《Toxics》：Mechanistic PBPK Modeling of Antibody–Drug Conjugates: Integration of Antibody Disposition, Linker Deconjugation, and Payload Pharmacokinetics
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抗体-药物偶联物（Antibody–drug conjugates, ADCs）是一类快速发展的用于癌症治疗的生物药物。通过化学连接子将单克隆抗体与小分子载荷整合，既保证了载荷的靶向递送潜力，又保留了其细胞毒性 potency。美国食品药品监督管理局（Unit
抗体-药物偶联物（Antibody–drug conjugates, ADCs）是一类快速发展的用于癌症治疗的生物药物。通过化学连接子将单克隆抗体与小分子载荷整合，既保证了载荷的靶向递送潜力，又保留了其细胞毒性 potency。美国食品药品监督管理局（United States Food and Drug Administration, USFDA）已宣布计划用新方法学（New Approach methodologies, NAMs）数据替代单克隆抗体及其他药物的体内试验。NAMs可包括体外（细胞系和类器官试验）、计算机模拟建模或其他能够预测包括ADC在内化合物毒性的创新方法。在这些拟议的NAMs中，生理药代动力学（physiologically based pharmacokinetic, PBPK）建模有能力提供一个机制性框架，整合抗体处置、连接子解偶联动力学以及载荷小分子药代动力学（pharmacokinetics, PK）。本综述详细介绍了ADC及其ADC PBPK模型的发展，涵盖组织架构、双孔血管转运、从最小模型到全身模型的模型层级、参数化策略、监管情境、应用、局限性及其未来前景。
主体内容总结
1. 引言
ADC是一类新兴的生物制药，旨在治疗癌症，由活性药物通过化学连接子与靶向抗体结合，以实现攻击靶细胞而保留健康细胞的目的。其主要优势包括载荷的靶向递送、特异性、更高的细胞毒性 potency 以及降低癌细胞的多药耐药性。尽管ADC能够凭借偶联抗体的特性在目标部位特异性递送载荷，但其面临治疗指数（therapeutic index）极窄的问题。在55项ADC临床开发研究中，有23项因治疗指数窄而终止。此外，ADC因抗体的存在而存在体内分布不佳的问题，偶联抗体在靶部位定位缓慢，导致肿瘤内治疗水平不足且分布不均。监管机构正在鼓励以NAMs替代体内试验。PBPK建模通过提供机制性的器官水平框架，将每个ADC分析物与支配其处置的潜在生理学联系起来，从而解决上述局限性。
2. ADC生物学与处置
2.1 结构组分：抗体、连接子与载荷
ADC由三个结构不同的组分构成：靶向肿瘤的单克隆抗体（mAb）、高效细胞毒性小分子载荷以及连接两者的化学连接子。抗体组分通常为人免疫球蛋白G1（IgG1），约150 kDa，其Fc区以pH依赖性方式与新生儿Fc受体（FcRn）结合，提供IgG分子约21天血浆半衰期的补救机制。载荷为高效细胞毒性小分子，典型IC50值在亚纳摩尔至低纳摩尔范围。连接子共价连接抗体与载荷，其稳定性影响脱靶毒性，可分为可裂解连接子与不可裂解连接子两大类。
2.2 DAR与偶联化学
药物-抗体比（DAR）指单个抗体分子上连接的细胞毒性药物分子的平均数量，是决定ADC细胞毒性潜力的重要因素。DAR值直接影响治疗性能：载荷不足会削弱 potency，而载荷过高则可能对毒性谱和PK行为产生不利影响。赖氨酸偶联产生DAR 0至8的异质性混合物，半胱氨酸偶联同样产生异质性混合物但分布以DAR 4为中心。位点特异性偶联策略可产生均质的DAR2或DAR4偶联物，具有改善的PK、更窄的暴露-反应关系和更宽的治疗窗。
2.3 体内命运的关键决定因素
ADC进入体循环后，其命运由一系列相互关联的过程决定。主要过程包括肿瘤细胞表面靶点结合、受体介导的内化、血浆中的解偶联、细胞内分解代谢、FcRn介导的抗体再循环以及被分解代谢载荷的释放和下游命运。靶点结合是选择性的首要决定因素，ADC通常以高亲和力（KD在0.1–10 nM范围）与其肿瘤相关抗原结合。解偶联与靶点介导过程并行发生，每次解偶联事件降低ADC分子的DAR并在血液中释放游离载荷。FcRn介导的再循环是抗体支架长系统半衰期的基础，而高DAR引入的疏水性可能破坏Fc-FcRn相互作用，加速高DAR物种的清除。
3. ADC的PBPK模型架构与关键机制过程
3.1 模型层级：最小、半机制性与全身PBPK
最小PBPK（mPBPK）模型代表血浆和合并的外周组织隔室，适用于首次人体剂量预测。半机制性模型引入离散器官隔室和DAR显式解偶联。全身PBPK模型将每个主要器官分为四个标准亚隔室（血管、细胞、间质和内皮），纳入双孔血管外渗模型、FcRn介导的再循环以及机制性载荷子模型，提供最完整的ADC PK表征。
3.2 四亚隔室组织架构
3.2.1 血管隔室（血浆和红细胞）
血管空间是静脉给药ADC首先遇到的隔室。人体总血容量约5.5 L，其中约55%为血浆。血浆含有白蛋白和内生IgG，两者产生胶体渗透压，对抗蛋白质从毛细血管滤出。在器官内，ADC通过动脉灌注进入血管空间，通过静脉引流离开。
3.2.2 内皮隔室
内皮细胞层构成血液与组织间质之间的物理屏障。其通透性随毛细血管类型而变化：连续毛细血管限制蛋白质通过，有孔毛细血管允许更大通透性，肝、骨髓和脾中的窦状毛细血管对任何大小的蛋白质基本开放。内皮隔室是流体相胞饮摄取后大分子分解代谢的主要部位，但含Fc的分子与FcRn相互作用，避免溶酶体降解并促进再循环。
3.2.3 间质隔室
间质是细胞之间的液体填充空间，是ADC发挥药理作用的部位。人体总间质液体积约12 L，其中约6 L对蛋白质可及。蛋白质部分被排除在间质空间之外，IgG淋巴浓度约为血浆的30%。抗体可通过淋巴驱动的对流转运和跨内皮小孔和大孔的渗透进入间质隔室。
3.2.4 细胞隔室
内化后，ADC-抗原复合物沿两条途径之一分选：再循环回细胞表面，或转运至溶酶体降解。对于可裂解连接子，载荷在内体-溶酶体隔室中释放；对于不可裂解连接子，释放需要抗体骨架的完全蛋白水解降解。细胞隔室同时决定载荷递送至细胞内药理学靶点的速率和完整性。
3.3 FcRn介导的再循环
流体相胞饮非特异性摄取后，抗体组分在酸性环境（pH约6）中与FcRn结合，被引导进入再循环囊泡。在近中性pH（约7.4）的细胞表面释放后，抗体返回血浆或间质空间，而未结合分子被转运至溶酶体降解。FcRn介导的补救途径是IgG抗体约21天血浆半衰期的基础。
3.4 靶点介导药物处置
靶点介导药物处置（TMDD）指药物以高亲和力与其药理学靶点结合，且该相互作用显著影响药物分布和消除的PK现象。TMDD常见于大分子，导致剂量与血浆浓度之间的非线性关系。TMDD也可在靶抗原于健康组织中表达时导致脱靶毒性。
3.5 双孔形式与血管外渗
双孔假说认为大分子的跨毛细血管通过两类细胞旁孔发生：大量小孔（半径约4–5 nm）和稀疏的大孔（半径约20–30 nm）。对于150 kDa、流体动力学半径约9 nm的单克隆抗体，其过大而无法自由通过小孔，主要依赖通过大孔的体积对流外渗。流体动力学半径通过幂律关系从分子量推导，是将ADC化学与其转运行为联系起来的关键尺寸参数。
4. ADC的PBPK模型开发
4.1 模型结构与生理表征
ADC的抗体组分为大分子，其处置使用分散组织模型描述，每个器官分为不同亚隔室。每个器官中大小分子跨毛细血管内皮的转运使用双孔模型表示。连接ADC各隔室通过血流和淋巴流实现。亚隔室架构包括血管、血细胞、间质、内体和细胞空间。
4.2 ADC PBPK模型的参数化
4.2.1 生理参数
生理参数是系统级输入，主要具有物种特异性且独立于候选药物，包括器官血流量、跨毛细血管液体滤过率、淋巴流量、各器官的血管/间质/细胞体积、通透性-表面积乘积、细胞内分解代谢速率、降解产物清除率以及组织特异性FcRn内化和再循环速率常数。
4.2.2 抗体和ADC特异性参数
抗体相关参数包括mAb类型、分子大小、肿瘤抗原浓度、渗透反射系数、特异性结合速率常数和通透性-表面积乘积。内体参数包括FcRn在pH 6.0和pH 7.4的解离常数、内体隔室体积、再循环分数、内体再循环和降解速率常数、FcRn组织浓度和内生IgG合成速率。ADC特异性参数包括分子量、净电荷、血-血浆浓度比、血浆游离分数、大小孔渗透反射系数以及释放载荷的组织分配系数。
4.2.3 体外到体内外推
ADC PBPK模型的有效参数化需要系统的体外到体内外推（IVIVE）方法。载荷的肝清除从微粒体孵育数据按比例缩放。组织结合参数通过相关组织的平衡透析实验估算。体外靶点结合动力学和受体内化速率通过基于细胞的结合实验测量。DAR依赖性解偶联速率可从拟合DAR显式模型至临床前血浆时间过程获得，或通过体外血浆稳定性实验直接测量。
5. PBPK建模在ADC开发中的应用
PBPK模型在ADC开发中发挥关键作用。其一为多分析物系统暴露的估算，PBPK可预测完整ADC、总抗体、偶联和未偶联载荷作为不同物种的血浆谱。其二为药物-药物相互作用（DDI）和器官损伤效应的预测，例如upifitamab rilsodotin的PBPK模型预测了与伊曲康唑合用时未偶联载荷暴露仅升高约30%，与临床数据一致。其三为跨物种外推和首次人体剂量选择，PBPK建模区分物种特异性生理参数与跨物种恒定的药物特异性分子常数，支持从临床前物种到人类的ADC PK翻译。其四为风险评估和安全边际评估，PBPK建模为ADC旁观者效应提供框架，将全身处置与局部肿瘤组织过程联系起来。
6. ADC PBPK建模的监管格局
USFDA在ADC临床药理学考虑指南中将ADC作为生物制品监管。指南将DDI确定为ADC开发中的重要考虑因素，并指出PBPK建模可适用于DDI评估。PBPK分析可补充体外和体内ADC组分评估，支持涉及ADC载荷及相关组分的相互作用表征和风险评估。FDA建议申办方提交足够信息使审评人员能够模拟和复制模型，并建议PBPK报告清晰描述建模策略、模型参数和假设、模拟设计、软件和支持性电子文件。
7. PBPK建模对ADC的局限性与当前挑战
ADC PBPK模型的主要局限性在于其主要针对血浆中的完整ADC、总抗体和游离载荷浓度进行校准，而决定疗效的是肿瘤内载荷暴露。预测的肿瘤浓度在患者中仍未得到验证。模型还受限于抗原表达异质性和肿瘤微分布，以及ADC结构异质性特别是DAR差异和时间依赖性解偶联的简化处理。此外，重要系统清除途径可能尚未在PBPK模型中机制性表征，模拟系统性地高估暴露，需要额外的系统清除途径，但该途径目前需要拟合观测数据，限制其用于从头预测。
8. 未来方向
在2020–2024年FDA批准的245种新药中，PBPK模型作为重要证据提交的新药申请（NDA）和生物制剂许可申请（BLA）占比26.5%。将PBPK模型与多组学方法结合有望显著增强预测能力。人工智能（AI）有潜力提高PBPK模型的准确性并协调模型验证标准。AI/ML模型与PBPK模型的整合已实现从分子结构快速预测药物PK。例如，研究者通过引入两个蛋白质特异性缩放因子修改Shah和Betts模型，使用有界符号回归推导出将缩放因子与结构性质联系起来的简单解析公式，显著降低了预测误差。
9. 结论
ADC因其多分析物特性而呈现独特的PK挑战，完整偶联物、总抗体和游离载荷各自受不同生物学过程支配，且治疗窗狭窄。PBPK建模整合多隔室组织架构、双孔跨血管转运、FcRn介导再循环、TMDD和耦合的小分子载荷子模型，能够同时预测ADC在血浆、肿瘤和其他脱靶组织中的处置。物种特异性生理参数与不变的药物特异性分子常数的清晰分离使该框架在跨物种翻译和首次人体剂量预测方面尤为强大。PBPK模型在表征DDI风险和无需专门临床研究即可为产品标签提供信息方面已展示监管效用。将PBPK与毒效动力学和肿瘤反应模型整合是合理的下一步，可实现完全耦合的暴露-反应模拟以支持适应性试验设计。
