重鏈抗體(HCAbs)是一類獨特的抗體,不含輕鏈,僅由兩條重鏈組成。它通過重鏈抗體可變區(qū)(VHH)識別抗原,VHH也稱單域抗體(sdAb)或納米抗體(Nb)。在駱駝科動物的血清中,重鏈抗體甚至能占到總IgG含量的81%,表明其在免疫系統(tǒng)中有著重要地位。本文綜述了自納米抗體發(fā)現(xiàn)的30年里,科研界和產(chǎn)業(yè)界對納米抗體的深入研究,和納米抗體應(yīng)用的拓展、商業(yè)化與未來。
1. 駱駝科動物重鏈抗體的產(chǎn)生
自然選擇:駱駝科動物可能是為了應(yīng)對病毒威脅,發(fā)展出了這樣獨特的免疫系統(tǒng)。這種同源二聚體的重鏈抗體,對許多傳統(tǒng)抗體難以應(yīng)對的病毒能夠發(fā)揮良好中和作用。此外,駱駝科動物所處的極端環(huán)境也使得它們的抗體對高溫有更強的耐受性,一些源自駱駝的VHH甚至能耐受高達90°C的溫度。
適應(yīng)性互補抗原識別策略:與其他哺乳動物類似,駱駝科動物通過IGHVH(VHH)-IGHD-IGHJ基因重排來產(chǎn)生抗體多樣性,對現(xiàn)存駱駝科動物免疫球蛋白重鏈可變區(qū)(IGHVH)基因分析表明,它們來自共同的祖先。重鏈抗體通過突變和遺傳漂變發(fā)生了進化,使得它們能以更簡單的形式組裝,發(fā)揮抗原結(jié)合效力。具體而言,VHH的框架區(qū)(FR)2中,一個保守疏水性氨基酸發(fā)生親水性突變,從而導致輕鏈可變區(qū)(VL)缺失;CH1與鉸鏈外顯子之間內(nèi)含子5′端的一個保守點突變(G>A)使得重鏈恒定區(qū)(CH1)缺失,這種改變會利于其分泌(圖1 A)。VHH呈現(xiàn)出更多樣的環(huán)構(gòu)象和更長的CDR1和CDR3區(qū)域,彌補了VL的缺失。例如雙峰駝和羊駝的CDR3平均有17-18個氨基酸,這種變化可增強它們的抗原親和力,也包括對隱蔽表位的親和力(圖 1B)。VHH中通過非經(jīng)典的半胱氨酸形成額外的二硫鍵,能夠穩(wěn)定CDR3環(huán)并增加抗原親和力(圖 1C)。重鏈抗體的鉸鏈區(qū)靈活多變,可以通過減少空間位阻增強與抗原結(jié)合(圖 1D)。IGHVH中突變熱點增多,使得體細胞超突變頻率增加,進一步增強抗原識別能力,維持抗體多樣性。
鯊魚與駱駝重鏈抗體有趨同的進化模式
鯊魚是擁有適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的最古老的脊椎動物,它們進化出了獨特的免疫球蛋白新抗原受體(IgNAR),也由單個可變區(qū)(VNAR)負責抗原結(jié)合。鯊魚的VNAR在保守區(qū)域的溶劑暴露區(qū)域含有極性和帶電氨基酸,提高了抗體溶解度,駱駝科動物重鏈抗體的VHH似乎模仿了這一特性。這種不同物種中抗體表現(xiàn)出相似性狀的趨同進化模式,表明這些特征在它們所處的棲息環(huán)境中具有進化優(yōu)勢。此外,這兩個物種的納米抗體都可以通過母嬰傳遞,有助于新生兒的免疫發(fā)育。
圖 1 重鏈抗體與納米抗體結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性進化
2. 納米抗體的研究與商業(yè)化
納米抗體由于體積小、穩(wěn)定性強且抗原親和力高等優(yōu)點,自被發(fā)現(xiàn)以來的三十年間已引發(fā)了巨大的商業(yè)興趣,全球?qū)@暾垟?shù)量迅速攀升。2014年,全球納米抗體專利申請數(shù)量首次超過1000件,此后年增長率達20%(圖 2A),2020年,授權(quán)專利數(shù)量超過1000件。目前,大多數(shù)納米抗體專利申請集中在美國(>1000件/年),其次為歐洲和中國(圖 2B)。例如美國的Regeneron有超過1000件專利申請、400多項授權(quán)專利;歐洲的Novartis和Ablynx各自擁有超過250項授權(quán)專利(圖 2C)。
圖2 全球納米抗體的專利分布
基于納米抗體文庫的篩選路徑已被廣泛應(yīng)用于納米抗體的開發(fā)中(圖3 A)。此外,合成文庫和天然納米抗體開發(fā)也受到關(guān)注,基于深度測序或質(zhì)譜鑒定的篩選方法也被用于納米抗體研究。納米抗體已在許多生物醫(yī)學領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用:例如用于癌癥、神經(jīng)疾病等領(lǐng)域的治療;傳染病、生物毒素的診斷或中和;醫(yī)學成像與快速檢測等(圖3 B)。一些基于納米抗體的產(chǎn)品已進入臨床或獲批上市:例如包括人源化納米抗體、基于納米抗體的嵌合抗原受體T細胞(CAR-T)療法、雙特異性納米抗體形式的產(chǎn)品已先后在美國、歐洲、日本、中國被批準上市(圖3 C)。
圖3 納米抗體的篩選和應(yīng)用
3. 納米抗體研究的未來
納米抗體應(yīng)用領(lǐng)域的拓展及其商業(yè)化,帶來了技術(shù)的接納、升級與變革。提升納米抗體的親和力與穩(wěn)定性,將改善其應(yīng)用性能。一種方法是構(gòu)建比單價抗體效力更高的多價納米抗體。例如針對新冠病毒的二價三價納米抗體已被應(yīng)用,四價、五價、甚至十價納米抗體也被成功制備。通過將納米抗體整合到高度穩(wěn)定的蛋白質(zhì)框架(如鐵蛋白)中可以增強其穩(wěn)定性。計算方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的進步,也推動了合成或天然VHH文庫構(gòu)建的發(fā)展,使研究人員能夠基于現(xiàn)有序列和結(jié)構(gòu)信息設(shè)計合成文庫。當無法對動物進行免疫時,可以通過這些文庫進行篩選。深度測序和質(zhì)譜鑒定手段結(jié)合或替代噬菌體或酵母展示技術(shù),將拓展納米抗體的篩選方法。納米抗體的給藥方式也更加多樣化。綜上所述,納米抗體相關(guān)技術(shù)的強勁增長趨勢,讓科學家們對其在未來革新醫(yī)療技術(shù)的潛力充滿信心。
關(guān)注點:
(1) 納米抗體由于體積小、穩(wěn)定性好、親和力佳等特性,受到研究人員的廣泛關(guān)注,已成為了重要治療和診斷、科研用抗體。
(2) 產(chǎn)學研的密切合作將加速納米抗體研究創(chuàng)新,為更多復(fù)雜的應(yīng)用場景提供解決方案,例如CAR-T、雙抗、多價納米抗體、納米抗體探針等形式的產(chǎn)品。
(3) 重鏈抗體在駱駝科動物血清IgG中占比可高達81%,通過Rapid Novor(快序生物)全球唯一的血清多抗測序技術(shù)可以高效獲得優(yōu)質(zhì)納米抗體序列,拓展納米抗體篩選路徑。
參考文獻:
[1] Yu T, et al. Single domain antibody: Development and application in biotechnology and biopharma. Immunol Rev. 2024 Nov;328(1):98-112. doi: 10.1111/imr.13381.