江湖奥义,抗体优化



江湖奥义,抗体优化
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自1986年FDA批准的第一个鼠源性单抗药物Orthoclone Okt3以来,抗体治疗发展如火如荼,至此抗体类药物的批准数量已经接近每年批准药物总数的1/5,截止5月,已有100种单抗获批,有200多种治疗用抗体处于临床研究阶段。
 
纵观国内外市场,抗体药物市场增长迅速,潜力巨大。拒估测,到2023年全球抗体市场可达到近4000亿美元的体量,我国抗体市场规模也直冲3000亿元。多方药企加入这场角力,竞争逐日白热化。
 
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全球抗体市场规模(数据来源:东北证券,frost & sullivan)
 
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国内单抗药物市场规模(数据来源:东北证券,frost & sullivan)
 
无论何时何地,要想在竞争中拔得头筹,必然不是蛮干,古有孙膑善用差别竞争,今有计算机加持改造,在抗体赛道中脱颖而出,必然离不开抗体优化,本文就以安全性和功效两个方面展开叙述。
 

降低免疫原性


由小鼠、大鼠或者其他动物所产生的抗体对人体来说都具有免疫原性,如果不对其施以措施降低免疫原性的话,身体会产生抗抗体药物的抗体,阻碍治疗。
 
单克隆抗体根据其序列来源分为四种:鼠源【图A】、嵌合(鼠可变区序列加入恒定序列)【图B】、人源化(人序列具有鼠互补决定区)【图C】和全人(抗体来自能产生人抗体的转基因鼠或者来自人B细胞)【图D】。
 
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就以嵌合抗体来说,可以对其可变区进行修饰,通过替换某些位点上的氨基酸来提高与人体天然抗体的相似性,这个过程就叫做“抗体人源化”,当然这一步骤的前提是不影响抗体对抗原的亲和力。抗体人源化是一种广泛应用的减少免疫系统产生外源反应的的一种方法。
 
目前被广泛使用的人源化方法有三种:计算机辅助设计、噬菌体展示和酵母展示。计算机辅助设计先建立鼠源抗体的三维模型结构,用电脑软件来分析结构和设计突变。

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借助计算机的人源化的流程
 
噬菌体展示和酵母展示则是通过建库和筛库来进行的。

传统的抗体开发方式,是使用抗原对小鼠免疫接种,获得可以持续分泌抗体的的杂交瘤细胞,在筛选后使用选定的先导物生成嵌合或人源化抗体。而噬菌体展示,则是在人类抗体文库中选择候选抗原,在经过3-5轮生物淘选后,通过ELISA筛选免疫阳性噬菌体,然后分析它的DNA序列,选择人源化程度最高、其他属性也最好的序列作为治疗用抗体的候选序列。像阿达木单抗就是使用噬菌体展示的技术。
 
但是努力不光止于此,还有一种诱导免疫耐受的方法。这就不得不说下适应性免疫了。T细胞和B细胞的记忆和效应功能是通过识别同源抗原中称为表位的部分来进行的,其中对T细胞表位的预测要优于B细胞表位预测,B细胞表位预测容易引发不与天然抗原交叉反应的抗体。
 
T细胞表位由I类(MHC I)和II(MHC II)MHC分子呈现,其分别被两个不同的T细胞亚群CD8和CD4 T细胞识别。在表位识别后,CD8 T细胞变成细胞毒性T淋巴细胞(CTL),与此同时,引发CD4 T细胞成为辅助(Th)或调节(Treg)T细胞。
 
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而诱导免疫就是就是通过将Treg 表位引入抗体,因为Treg 表位将刺激Treg 功能并诱导其对抗体产生免疫耐受,当活化的T细胞被抑制后,对抗体的耐受性就会增加。
 

抗体亲和力成熟

 
对于抗原的亲和力对于候选抗体来说,是一个很重要的考量方面,因为如果连结合都困难的话,更别说是起作用了,起效的前提一定是结合,但是结合了不一定就起作用。结合也有强有弱,我们用亲和力来评估结合能力的强弱,亲和力越强,解离平衡常数就越小,俗话说,就是越难舍难分。
 
亲和力成熟是指机体正常存在的一种免疫功能状态,在体液免疫中,再次应答所产生抗体的平均亲和力高于初次免疫应答。当分离出一组先导抗体的时候,必然要对其结合亲和力进行优化。对抗体Fv 片段修饰可以采用随机诱变、靶向诱变重亲链洗牌重配和电脑模拟设计,这些方法已经被证实可以有效的提升亲和力。

体外亲和力成熟的过程需要耗费大量时间和精力,目前所采用的策略通常基于结构原理或者是小型文库途径,这些方法成功的原因依托于以下两个方面的因素:
1,高质量的共晶结构的存在。
2,可计算突变发生时候能量变化的算法。
 
传统的亲和力优化过程可能会花费至少6个月的时间,但是当计算策略和与重点试验评估两者相结合的时候,可以节省很多时间,再一个就是如果依托经典的晶体结构来进行计算机模拟亲和力成熟而不是制造实际的抗原-抗体共晶结构的话,也可以节省大量时间。当然在一些传统的方法比如文库,诱变中,共晶体结构甚至可以提高亲和力达到10~100倍以上,而在缺乏抗原-抗体共晶结构下,计算机预测其实相当具有挑战性。
 
这里有一个思维惯性,那就是亲和力不是越高越好吗,其实不然,大多数情况,我们还是需要根据药物的实际机理作用来调整它的亲和力,从而使得药效达到最大化。其实这有点像二次函数曲线,我们需要找到那个顶点。
 
提升亲和力是优化的步骤,但是亲和力太高也容易造成一些麻烦,就以实体瘤为例子来说明一下吧,抗体亲和力太强的话可能会导致大分子抗体只能在实体瘤附近高浓度聚集,妨碍了抗体在其部位的扩散,不利于药效发挥其最大效果。另外一个点就是,还要考虑到抗体在不同的PH环境下面具有不同的亲和力,这有利于它一些功能的发挥,比如说某些抗体在溶酶体等这样一些细胞内的酸性条件下容易解离扩散的话,是不是就可以释放某些与它结合的受体,让这些被释放的受体可以重新回到细胞表面发挥介导作用。
 

特异性优化


为了降低抗体对其他抗原的交叉反应性,扩大抗体对相关抗原的特异性或改善抗体对不同物种抗原的结合力,需要对抗体进行工程改造以优化其特异性。随机诱变和靶向诱变是2 种常用优化抗体特异性的方法。
 
如果有抗体-抗原复合物的3D 结构可参考,也可将人表位突变为另一种种系的表位(例如猴表位或鼠表位),通过使用软件的“亲和力成熟功能”来预测和引入能优化异种抗原亲和力的突变。
 
IgG 是最丰富的一类抗体,它们构成了大约 75% 的血清免疫球蛋白库。提高抗体的抗原结合能力主要由IgG的可变区决定。IgG 是由两条轻链和两条重链组成,轻链包含可变(V L)和恒定(C L)域,重链包含一个可变(V H)和三个恒定(C H 1、C H 2 和C H 3)域。IgG 的多域性质巧妙地将其生物活性划分为不同的子域。抗原结合片段 (Fab) 包含两个可变域,并通过称为互补决定区 (CDR) 的六个肽环介导抗原识别。相比之下,可结晶片段 (Fc) 包含恒定域(C H 2 和 C H 3),其通过与免疫受体分子(例如补体蛋白和 Fc 受体)结合来介导效应子功能。
 
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抗体优化当然不止这几个方面,在其他方面,比如说构象稳定性、溶解度、生物效应等都是十分重要的,由于本文篇幅限制,就不一一展开讲了。

如果能够明确参与发病机制的特定蛋白质或者分子的话,抗体毫无疑问是有效的治疗选择之一。这么多年的发展下来,现在市场上的治疗性抗体大致可以分为这么两大类——
 
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第一类是直接用裸抗体进行疾病治疗,此类抗体通过直接靶向癌细胞诱导细胞凋亡、靶向肿瘤微环境(阻断癌细胞的营养供应)、靶向免疫检查点(阻止免疫逃逸)和介导通路(例如 ADCC/CDC,在介导路径中,招募其他免疫细胞来杀死癌细胞)等机制来引发细胞死亡。
 
第二类是对裸抗体进行了额外的修饰从而以增强其治疗效果。这方面的例子有免疫细胞因子(选定的细胞因子与抗体融合来增强递送特异性)、抗体-药物偶联物 (ADC,增强药物的递送,减少对非靶向组织的非特异性毒副作用)、抗体-放射性核素偶联物 (ARC,定位放射治疗)、双特异性抗体(增强特异性靶向)、免疫脂质体和 CAR-T。
 
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单抗的开发与应用

当我们再次回归单抗发展的历史,不难发现其实几乎每一年都有新的突破发生,相信伴随着科技的进一步发展,计算能力和速度的提升以及三维蛋白结构数据库的扩大,精准治疗的效率与进展可以得到更进一步的提升和加速。
  
参考文献:
  1. https://academic.oup.com/abt/article/4/1/45/6142994?searchresult=1#229867976
  2. https://www.hindawi.com/journals/jir/2017/2680160/
  3. Cannon DA, Shan L, Du Q, Shirinian L,Rickert KW, Rosenthal KL, et al. (2019) Experimentally guided computational antibody affinity maturation with de novo docking, modelling and rational design. PLoS Comput Biol 15(5):e1006980.
  4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6939334/

 
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