抗體藥物新利器：PROTACs促進標靶蛋白內化與水解，強化抗癌效力

蛋白水解標靶嵌合體 (Proteolysis Targeting Chimeras, PROTACs）是一種精心設計的異雙功能分子，這種分子一端能夠特異性識別並結合標靶蛋白，另一端則負責招募細胞內的 E3 泛素蛋白連接酶（E3 ubiquitin-protein ligases） [1]。這種雙重功能的設計使得 PROTACs 能夠充當「分子膠水」的角色，將原本不會相互作用的兩種蛋白質強制性地聚集在一起。PROTACs 透過招募細胞內天然存在的 E3 連接酶，，促使標靶蛋白被泛素化標記。泛素化是細胞內蛋白質降解的關鍵信號，一旦蛋白質被泛素標記，就會被細胞內的蛋白酶體識別並降解，這種催化性的降解機制使得 PROTACs 具有傳統競爭性抑制劑所不具備的優勢：即使在低濃度下也能發揮持續的藥理作用 [2]。

基於這個獨特機制，研究團隊假設 PROTACs 可透過降解相同的致癌細胞表面蛋白，來增強抗體藥物複合體（Antibody–Drug Conjugates, ADCs）的內化 (Internalization) 和細胞毒性。因此，研究人員將針對特定致癌受體（如 EGFR、HER2 或 MET）的 PROTAC 與對應的標靶抗體或抗體藥物複合體（ADCs）共同用於多種癌細胞，發現 PROTAC 能將抗體的內化效率顯著提升 1.4 至 1.9 倍，顯示 PROTACs 促進抗體內化的新能力 (圖二)。研究人員為了探明 PROTAC 促進抗體內化的具體路徑，使用了 Dyngo-4a （一種動力蛋白 GTPase 抑制劑）證實 PROTAC 需要透過動力蛋白（dynamin）參與細胞內化的過程。而當研究團隊將 PROTACs 與特定的抗體一起使用時，原本難以進入細胞的抗體，突然像擁有了鑰匙一樣，讓更多藥物進入細胞內，促進癌細胞死亡。以 lapatinib（註一）為一端配體，所設計的的 PROTAC SJF1528，可降解 HER2 與 EGFR。在HER2 陽性乳腺癌細胞株以及患者來源異種移植動物模型（Patient Derived Xenograft model）中，研究發現合併使用 SJF1528 和目前常用的 HER2 ADC 藥物 trastuzumab–deruxtecan（T-Dxd, Enhertu®）（註二）後，相較於單獨使用 T-Dxd，能有效降低細胞活力，並在多個 ADC 濃度都可以在時間點上顯著增強細胞毒性，顯示PROTAC 與 ADC 的組合能夠更有效地增強細胞毒性（圖三）。

因此，本研究首次證實 PROTACs 促進細胞表面受體與結合抗體協同內化的新應用，在多種癌症受體和細胞系中均得到驗證，展現廣泛適用性。傳統 ADCs 依賴受體交聯促進內化的方法效果有限，特別是對低表現的標靶蛋白，而 PROTAC-ADC 策略通過強制性降解機制驅動內化，所以具有獨特優勢。另外從安全性角度， PROTACs 促進 ADC 特異性內化，具有高度專一性，有望增加靶向傳送效率，優化治療安全窗口。明確證實 PROTACs 能顯著增強標靶抗體內化，依賴動力蛋白（dynamin）和蛋白酶體（proteasome）功能，提高藥物細胞特異性和胞內有效濃度。

這個發現可能會改寫整個癌症治療的遊戲規則。想像一下：那些因為受體表達量低而被認為「不適合」ADC治療的癌症患者，現在可能重新獲得治療機會。那些原本需要高劑量才能發揮作用的ADCs，現在可能可以用更安全的低劑量來達到同樣的效果。更重要的是，這種組合療法可能會大大減少ADCs的副作用。由於抗體能夠更快、更有效地進入標靶細胞，它們在血液中「遊蕩」的時間會縮短，因此與免疫細胞「誤會」的機會也會減少，從而降低了那些令人困擾的免疫相關副作用。這項突破為癌症治療提供創新策略平台，有望重新定義 ADC 治療的效力邊界。PROTAC-ADC 組合療法的成功開發需要多學科協作，包括分子設計優化、機制深入研究和臨床轉化評估。隨著技術進步，這種創新療法將為癌症患者帶來新希望，成為精準醫學時代的重要治療武器。

圖片說明：
圖一、PROTAC 促進抗體藥物複合體 (ADC) 內化以增強細胞毒殺作用的機制示意圖。
(上圖) 在標準 ADC 療法中，ADC 透過其抗體部分與癌細胞表面的標靶受體結合。然而，該受體-ADC 複合物的內化 (Internalization) 效率有限，限制了藥物有效載荷進入細胞的數量，從而影響其最終的治療效力。
(下圖) 在 PROTAC-ADC 組合療法模型中，一個針對相同受體的 PROTAC 分子被共同投遞。該 PROTAC 分子可穿透細胞膜，一端與受體的胞內區域結合，另一端招募 E3 泛素連接酶 (E3 ligase)。此舉形成了一個三元複合物，進而觸發由細胞蛋白酶體 (proteasome) 介導的標靶受體降解 (Target protein degradation)。在受體被強制降解並內化的過程中，原本結合在受體胞外區域的 ADC 被一同協同內化 (co-internalized)，大幅提升了藥物進入細胞的效率。最終，胞內釋放的大量藥物導致了更強的細胞毒性和癌細胞死亡。
圖片來源：https://doi.org/10.1038/s42003-024-07439-0 （作者自行繪製）

圖二、PROTAC 提升癌細胞酪氨酸激酶受體抗體（tyrosine kinase receptor antibody）的細胞內化效率
（a）在表達 HER2 的乳腺癌細胞株 BT-474 和 SKBR3中， PROTAC SJF1528 與 HER2 抗體 trastuzumab （Tmab）合併使用，相較於對照組（DMSO）跟單獨使用Tmab，可顯著提升抗體的內化效率。
（b）在表達 EGFR 的肺癌細胞 A549 和胰腺癌細胞 BxPC-3 中， PROTAC SJF1528 與 EGFR 抗體 Cetuximab（Cmab）合併使用，相較於對照組（DMSO）跟單獨使用 Cmab ，可顯著提升抗體的內化效率。
（c）在表達 MET的肺癌細胞 HCC827 GR6 和細胞株 HEK 293T 中，PROTAC 48-2848 與 MET 抗體合併使用，相較於對照組（DMSO）跟單獨使用 MET ，可顯著提升抗體的內化效率。
圖片來源：https://doi.org/10.1038/s42003-024-07439-0

圖三、PROTAC SJF1528 與不同藥物（T-DM1、T-Dxd、Lapatinib）對 HER2 陽性乳腺癌細胞株（BT-474 和 SKBR3）及乳腺癌類器官（BJ11）的細胞存活率和增殖的影響。數據以存活細胞百分比（相對發光單位，RLU）或相對面積（µm²）表示，並以 DMSO 作為對照組，經過標準化處理。
（a）BT-474 細胞在不同濃度的ADC trastuzumab-DM1 (T-DM1) 下，加入 PROTAC SJF1528 和對照組（DMSO）於 24、48 和 72 小時後的細胞活性。結果顯示，加入 PROTAC 降低了多種濃度下的細胞存活率。
（b）BT-474 細胞在 72 小時後，未處理（DMSO）、單獨使用 PROTAC SJF1528、單獨使用 T-DM1，以及合併 PROTAC SJF1528 和 T-DM1 處理後的代表性影像，可見合併 PROTAC 處理後降低了癌症細胞數量。
（c）SKBR3 細胞在不同濃度的T-DM1下，加入 PROTAC SJF1528 和對照組（DMSO）於 24、48 和 72 小時後的細胞活性。結果顯示，加入 PROTAC 降低了多種濃度下的細胞存活率 (RLU) 。
（d）乳腺癌類器官(breast cancer organoids) BJ11 在處理 72 小時後的相對細胞面積（µm²）與存活細胞百分比。結果顯示，與單獨使用 T-Dxd 相比，加入 SJF1528 可進一步增強 ADC 的細胞毒性。
（e） SKBR3 細胞在 Lapatinib 單獨處理、Lapatinib 加上 T-Dxd ，以及 SJF1528 加上 T-Dxd 處理後的存活率。雖然 Lapatinib 具有較強的細胞毒性，但與 Tmab-Deruxtecan 聯用並未額外增強細胞毒性，而 SJF1528 與 T-Dxd 的組合則顯著提高了細胞毒性，暗示蛋白降解機制在細胞毒性增強中的作用。
圖片來源：https://doi.org/10.1038/s42003-024-07439-0

註一：lapatinib為一種口服的雙標靶小分子酪胺酸激酶抑制劑 (TKI)，能同時抑制 HER2（第二型人類表皮生長因子受體）與 EGFR（表皮生長因子受體），目前為晚期HER2陽性乳癌後線治療藥物，因為可以過血腦屏障，常用於腦轉移患者[3]。

註二：Trastuzumab deruxtecan (T-DXd，即臨床使用的Ehertu; DS-8201a) 是一種新型的抗體藥物複合體 (ADC)，為 HER2 抗體結合拓撲異構酶 I 抑制劑（有效載荷）組成的藥物，目前為晚期HER2陽性乳癌第二線治療藥物[4]。

縮寫：PROTACs, Proteolysis Targeting Chimeras; ADC, Antibody–Drug Conjugates; T-Dxd, trastuzumab–deruxtecan; DMSO, Dimethyl sulfoxide; Cmab, Cetuximab; RLU, Relative Light Unit; TKI, tyrosine kinase inhibitor; HER2, Human Epidermal Growth Factor Receptor 2; EGFR, Epidermal Growth Factor Receptor

Main Article:
Tolosa, E. J., Yang, L., Ayers-Ringler, J., Suzuki, S., Mallareddy, J. R., Schaefer-Klein, J., Borad, M., Kosari, F., Natarajan, A., & Mansfield, A. S. (2024). Proteolysis targeting chimera (PROTAC)-driven antibody internalization of oncogenic cell surface receptors. Communications biology, 7(1), 1719. https://doi.org/10.1038/s42003-024-07439-0

參考文獻：

Gu, S., Cui, D., Chen, X., Xiong, X., & Zhao, Y. (2018). PROTACs: An Emerging Targeting Technique for Protein Degradation in Drug Discovery. BioEssays : news and reviews in molecular, cellular and developmental biology, 40(4), e1700247. https://doi.org/10.1002/bies.201700247
Wang, C., Zhang, Y., Zhang, T., Shi, L., Geng, Z., & Xing, D. (2022). Proteolysis-targeting chimaeras (PROTACs) as pharmacological tools and therapeutic agents: advances and future challenges. Journal of enzyme inhibition and medicinal chemistry, 37(1), 1667–1693. https://doi.org/10.1080/14756366.2022.2076675
Johnston, S. R., & Leary, A. (2006). Lapatinib: a novel EGFR/HER2 tyrosine kinase inhibitor for cancer. Drugs of today (Barcelona, Spain : 1998), 42(7), 441–453. https://doi.org/10.1358/dot.2006.42.7.985637
Nakada, T., Masuda, T., Naito, H., Yoshida, M., Ashida, S., Morita, K., Miyazaki, H., Kasuya, Y., Ogitani, Y., Yamaguchi, J., Abe, Y., & Honda, T. (2016). Novel antibody drug conjugates containing exatecan derivative-based cytotoxic payloads. Bioorganic & medicinal chemistry letters, 26(6), 1542–1545. https://doi.org/10.1016/j.bmcl.2016.02.020