楊懿祺, 張志高, 游小龍, 張婧, 林冠峰, 吳英松
南方醫(yī)科大學(xué)檢驗(yàn)與生物技術(shù)學(xué)院,廣州510515
抗體(antibody)又稱免疫球蛋白,是由B 淋巴細(xì)胞接受刺激后產(chǎn)生的糖蛋白,結(jié)構(gòu)呈“Y”字型,具有特異性結(jié)合抗原的功能,在人體抵御外界感染性病原體中發(fā)揮重要作用。早在1890 年,德國科學(xué)家Emil Adolf von Behring 首次建立了血清免疫療法用于治療白喉,獲得了首屆諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),開創(chuàng)了人工被動(dòng)免疫治療的先河[1]。1975年,Kohler和Milstein成功利用雜交瘤技術(shù)生產(chǎn)了單克隆抗體(monoclonal antibodies,mAbs)[2],這是一種由單一B細(xì)胞克隆產(chǎn)生的,高度均一、僅針對(duì)特定抗原表位的抗體。相較于多克隆抗體具有特異性強(qiáng)、純度和效價(jià)高等優(yōu)勢。
隨著人們對(duì)抗體的認(rèn)識(shí)不斷深入,單克隆抗體在臨床治療、體外診斷、科學(xué)研究等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,而抗體藥物已經(jīng)成為全球新藥開發(fā)的熱點(diǎn)。自1986 年全球首個(gè)鼠源單克隆抗體藥物莫羅莫那單抗(muromonab-CD3)經(jīng)美國食品與藥品監(jiān)督管理局(US Food and Drug Administration,F(xiàn)DA)批準(zhǔn)上市至今,抗體藥物歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展,已經(jīng)成為生物藥中增長最快的領(lǐng)域。目前,獲FDA 批準(zhǔn)上市的抗體藥物已超100 個(gè)[3],超80 種抗體藥物獲國家藥品監(jiān)督管理局(National Medical Products Administration,NMPA)批準(zhǔn)進(jìn)口,國內(nèi)自主研發(fā)并成功上市的國產(chǎn)抗體藥物近10 種(表1)。隨著更多抗體藥物的成功上市,適應(yīng)證覆蓋面進(jìn)一步擴(kuò)大,抗體藥物市場蓬勃發(fā)展的同時(shí)也推動(dòng)了醫(yī)學(xué)的進(jìn)步。
早期單克隆抗體藥物是以莫羅莫那單抗為代表的全鼠源單抗,用于治療器官移植后的急性排異反應(yīng),但由于具有較短的半衰期和較強(qiáng)的免疫原性,易誘發(fā)人抗鼠抗體(human anti-mouse antibody,HAMA)反應(yīng)而被迫退出市場[4]。為了使抗體藥物更好地應(yīng)用于臨床,抗體人源化改造的步伐從未停止,經(jīng)歷了鼠源性、人鼠嵌合性、人源化和全人源化4個(gè)階段[5]。
人鼠嵌合抗體通過基因重組技術(shù),保留了鼠源的可變區(qū)以保證抗體特異性和親和力,而恒定區(qū)為人源成分以減低免疫原性。目前市場份額較大的人鼠嵌合抗體藥物是1997 年上市的利妥昔單抗(rituximab-CD20),該抗體藥物通過ADCC 和CDC 殺死腫瘤細(xì)胞,適用于非霍奇金淋巴瘤和慢性淋巴細(xì)胞白血病。
基于CDR 移植技術(shù)[6],人源化抗體將人源化部分提高到95%,僅保留動(dòng)物來源的部分可變區(qū)(即骨架區(qū)),進(jìn)一步降低了免疫原性。代表性藥物是1998 年批準(zhǔn)上市的曲妥珠單抗(trastuzumab-HER2),用于治療乳腺癌,通過阻斷HER2 信號(hào)通路,抑制腫瘤生長。2008年,我國首個(gè)自主研發(fā)的人源化抗體藥物尼妥珠單抗(nimotuzumab-EGFR)上市,用于鼻咽癌的治療,打破了國外對(duì)抗體藥物壟斷的局面。
全人源化抗體完全由人類基因編碼,顯著減低了免疫原性,主要依賴于抗體展示技術(shù)和轉(zhuǎn)基因小鼠技術(shù)[7]。2002 年,經(jīng)噬菌體展示文庫篩選得到的阿達(dá)木單抗(adalimumab-TNFα)成為首個(gè)經(jīng)FDA 獲批上市的全人源化抗體,因其廣泛的適應(yīng)證和連續(xù)多年排名第一的銷量而有“藥王”之稱,至今仍具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展及對(duì)抗體結(jié)構(gòu)和功能認(rèn)識(shí)的不斷深入,研究人員通過不同抗體片段的組合、對(duì)抗體表面的位點(diǎn)進(jìn)行修飾、偶聯(lián)小分子藥物或其他化學(xué)物質(zhì)等策略,發(fā)展了數(shù)量龐大的抗體結(jié)構(gòu)形式,并各有優(yōu)勢。包括抗體融合蛋白(antibody fusion protein)、抗體偶聯(lián)藥物(antibodydrug conjugate,ADC)、雙特異性抗體(bispecific antibody,BsAb)、小分子抗體片段等。
抗體融合蛋白是指通過DNA 重組技術(shù),將目的蛋白基因與抗體片段基因相連并表達(dá)的重組蛋白,具有抗體的特性及融合功能蛋白的活性。由于直接由基因編碼表達(dá)為完整的融合蛋白,其優(yōu)勢在于蛋白與抗體連接穩(wěn)定,結(jié)合均一[8]。根據(jù)抗體結(jié)構(gòu)的不同,可以將抗體融合蛋白分為完整抗體融合蛋白和抗體片段融合蛋白[9],且以Fc 融合蛋白最多見。
基于上述單元信息知識(shí)組織的流程,建立基于本體和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的單元信息知識(shí)組織框架,如圖3所示,該框架為4層結(jié)構(gòu),從下至上分別為數(shù)據(jù)層、語義聚合層、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)層和應(yīng)用層。各層功能相對(duì)獨(dú)立,上層功能基于底層功能實(shí)現(xiàn)。
Fc 融合蛋白的抗體Fc 段可以通過增大融合蛋白的分子量及FcRn 介導(dǎo)的再循環(huán)機(jī)制延長藥物半衰期[10-11],提高融合蛋白的穩(wěn)定性,還可以發(fā)揮Fc 段特有的細(xì)胞毒性作用殺傷腫瘤細(xì)胞[12]。另外,F(xiàn)c 段也有助于融合蛋白生產(chǎn)過程中的表達(dá)和檢測[11]。
研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞因子及其受體有治療疾病的潛能,但受限于治療窗口較窄,而細(xì)胞因子受體與抗體融合組成的重組抗體細(xì)胞因子受體融合蛋白能有效解決該問題,目前相關(guān)研究多處在臨床前或早期臨床研究階段[9]?,F(xiàn)已上市且應(yīng)用廣泛的重組抗體細(xì)胞因子受體融合蛋白是重組人Ⅱ型腫瘤壞死因子受體-抗體融合蛋白——依那西普(etanercept-TNF),屬于Fc 融合蛋白,適應(yīng)證為類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、銀屑病、強(qiáng)直性脊柱炎。另外,各種來源于細(xì)菌、病毒的毒素也可以與抗體融合組成抗體融合蛋白,通過干擾細(xì)胞的蛋白合成發(fā)揮功能。重組免疫毒素也是一類重要的抗體融合蛋白,它是全抗體或抗體片段與蓖麻毒素等生物毒素蛋白的融合蛋白。目前已獲批上市的重組免疫毒素有remitoro、lumoxiti、vicineum,主要用于血液系統(tǒng)腫瘤[8]。
表1 部分已上市的具有代表性的抗體藥物Table 1 Some representative antibody drugs on the market
抗體偶聯(lián)藥物是一類由高特異性和親和力的單克隆抗體、穩(wěn)定的連接頭(linker)、高效的細(xì)胞毒性化學(xué)藥物(cytotoxic chemical agent)三部分組成的靶向生物藥劑[13]。通過單克隆抗體的靶向作用特異結(jié)合腫瘤細(xì)胞,釋放細(xì)胞毒性藥物,殺死腫瘤細(xì)胞[14],從而實(shí)現(xiàn)藥物的高速靶向運(yùn)輸、精準(zhǔn)殺傷腫瘤細(xì)胞、減少全身不良反應(yīng)的目的。
人源IgG1 型抗體憑借其較弱的免疫原性、較好的親和力和特異性、較長的半衰期,能誘發(fā)ADCC 和CDC 的特點(diǎn)而常被應(yīng)用于ADC[15-16]。連接頭的選擇對(duì)ADC 的效能和安全性有重要影響,需要保證其在循環(huán)中的穩(wěn)定性和到達(dá)靶點(diǎn)后有效釋放藥物,以腙鍵、肽鍵或二硫鍵較常見[17]。常見的細(xì)胞毒性藥物類型主要有微管蛋白抑制劑和DNA損傷試劑[5]。
但ADC 仍存在一些問題有待改進(jìn),包括化學(xué)偶聯(lián)的方法導(dǎo)致細(xì)胞毒性藥物與抗體偶聯(lián)比例(drug-to-antibody ratio,DAR)不穩(wěn)定[10],連接頭不穩(wěn)定導(dǎo)致的脫靶毒性[17],以及藥物釋放后擴(kuò)散殺傷周圍正常細(xì)胞的旁觀者效應(yīng)[5]。
在臨床應(yīng)用上,F(xiàn)DA已批準(zhǔn)的ADC共10個(gè),主要針對(duì)血液系統(tǒng)腫瘤和實(shí)體瘤,包括白血病、淋巴瘤、乳腺癌、泌尿系統(tǒng)腫瘤[18]等。目前我國已經(jīng)獲批進(jìn)口的ADC有恩美曲妥珠單抗(trastuzumab emtansine-HER2)和維布妥昔單抗(brentuximab vedotin-CD30),分別針對(duì)乳腺癌和淋巴瘤發(fā)揮功能[19]。2021 年,我國首個(gè)自主研發(fā)ADC 維迪西妥單抗(disitamab vedotin-HER2)上市,用于局部晚期或轉(zhuǎn)移性胃癌。
雙特異性抗體是一類可以同時(shí)識(shí)別和結(jié)合兩種不同抗原的新型抗體。相比于傳統(tǒng)單克隆抗體,雙特異性抗體通過誘導(dǎo)細(xì)胞相互靠近,增強(qiáng)殺傷作用,還可以結(jié)合同一細(xì)胞表面不同抗原,減少脫靶效應(yīng)。
已經(jīng)上市或在研發(fā)的雙特異性抗體種類繁多,形式多樣(圖1)。根據(jù)是否含F(xiàn)c 段將雙特異性抗體分為兩類。一類是含F(xiàn)c 段的雙特異性抗體,其與傳統(tǒng)抗體結(jié)構(gòu)類似,但兩個(gè)Fab 區(qū)可以結(jié)合不同抗原,穩(wěn)定性好、親和力強(qiáng)、半衰期較長,包括Triomabs、KIHIgG、DVD-IgG、2 in 1-IgG、Cross-MAb、DuoBody和ART-IG等。另一類是不含F(xiàn)c段的雙特異性抗體,由Fab 或更小的片段構(gòu)成,具有分子量小、穿透力強(qiáng)、半衰期短等特點(diǎn),如Tand-Abs、DART、BiTE、Bi-Nanobody等[20-21]。
圖1 不同形式的雙特異性抗體Fig.1 Different types of bispecific antibodies
已經(jīng)獲批上市的雙特異性抗體藥物主要通過介導(dǎo)免疫細(xì)胞殺傷,促進(jìn)蛋白形成功能性復(fù)合體,干擾信號(hào)通路發(fā)揮作用。通過雙特異性的結(jié)合位點(diǎn)使靶細(xì)胞(如腫瘤細(xì)胞)和免疫細(xì)胞(如T細(xì)胞)結(jié)合,準(zhǔn)確定位,激活免疫細(xì)胞發(fā)揮殺傷作用[22]。2009年上市的卡妥索單抗(catumaxomab-EpCam*CD3)和2014年上市的博納吐單抗(blinatumomab-CD3*CD19)均通過該機(jī)制發(fā)揮功能,分別適用于惡性腹水和急性淋巴細(xì)胞白血病。2017 年上市的艾美賽珠單抗(emicizumab-FIXa*FX)通過促進(jìn)蛋白形成功能性復(fù)合體發(fā)揮功能。該抗體可以橋接凝血因子IXa 和凝血因子X,促進(jìn)凝血酶生成,用于A型血友病的常規(guī)預(yù)防。2021年獲批上市的埃萬妥單抗(amivantamab-EGFR*c-MET)則通過阻斷信號(hào)通路和介導(dǎo)免疫細(xì)胞殺傷雙重抗癌,適用于EGFR突變的非小細(xì)胞肺癌。
小分子抗體片段包括以下幾種:抗原結(jié)合片段、單鏈可變區(qū)(single-chain fragment variable,scFv)和單域抗體,具有體積小、穿透能力強(qiáng)、特異性強(qiáng)、免疫原性弱、易于基因工程改造和表達(dá)生產(chǎn)等特點(diǎn)[23]。其半衰期短、易清除的缺點(diǎn)可以通過結(jié)合不同的小分子和肽段適當(dāng)增加分子大小來彌補(bǔ),在延長其半衰期的同時(shí),也能夠拓寬其功能,增強(qiáng)效能[24-25]??贵w片段的制備方法包括體外酶消化法、多種表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)以及噬菌體展示技術(shù)。其中,大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)具有生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)[26]。
1994 年,第2 個(gè)獲批上市的抗體藥物阿昔單抗(abciximab-GPⅡb/Ⅲa)是由哺乳動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)重組人鼠嵌合IgG 抗體,經(jīng)木瓜蛋白酶消化獲得顯著降低其免疫原性的Fab 片段,用于治療克羅恩病及類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的培塞利珠單抗(certolizumab pegol-TNFα)是來源于大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)的人源化F(ab′)2。我國自主研發(fā)的美妥昔單抗(metuximab-HAb18G)是鼠源F(ab′)2,偶聯(lián)碘[131I]用于治療晚期肝癌。
scFv 抗體片段是由抗體重鏈的可變區(qū)(VH)與輕鏈的可變區(qū)(VL)在一段肽鏈的連接下構(gòu)成的小分子抗體。如雙特異性T 細(xì)胞銜接器(bispecific T cell engager)類型的雙特異性抗體——博納吐單抗也屬于小分子抗體范疇。
單域抗體(single-domain antibody,SdAb)是只包含單一可變區(qū)(VH/VL)的抗體。第一個(gè)單域抗體是從駱駝科動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的,又稱納米抗體(nanobody)。單域抗體體積小、穿透能力強(qiáng)、能夠結(jié)合傳統(tǒng)抗體所不能觸及的位點(diǎn),如結(jié)合酶的活性中心[27-28],進(jìn)入實(shí)體腫瘤內(nèi)部[24],穿過血腦屏障[29],為免疫治療提供了新的思路。單域抗體穩(wěn)定性強(qiáng),可以耐受極端pH、高離子強(qiáng)度、蛋白酶存在、高溫[30-33]等極端情況。2019年,首個(gè)單域抗體藥物卡拉西單抗(caplacizumab-vWF)獲批上市,用于獲得性血栓性血小板減少性紫癜的治療。
抗體藥物在腫瘤殺傷、自身免疫病治療、移植后免疫抑制均發(fā)揮重要作用,其在感染性疾病,尤其是病毒感染相關(guān)疾病的預(yù)防和治療中,也有不可替代的作用[34]。
當(dāng)前,新型冠狀病毒肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19,以下簡稱新冠肺炎)疫情蔓延全球,嚴(yán)重威脅人們的身體健康和生命安全。而新型冠狀病毒(SARS-CoV-2,以下簡稱新冠病毒)中和抗體是人類對(duì)抗病毒的有力武器,在疾病的預(yù)防和治療中都發(fā)揮了重要作用。目前已經(jīng)獲批使用的新冠病毒中和抗體藥物(以下簡稱新冠抗體藥物)共6個(gè)(圖2),適應(yīng)證為具有進(jìn)展至重度或住院高風(fēng)險(xiǎn)的輕、中度COVID-19成年患者[35-37]。
圖2 新冠抗體藥物發(fā)展時(shí)間軸Fig.2 Timeline of antibody drug development of COVID-19
新冠抗體藥物來源包括:恢復(fù)期患者血漿、基因工程重組抗體以及轉(zhuǎn)基因人源化小鼠。由于恢復(fù)期患者來源的中和抗體有活性及濃度的差異,難以標(biāo)準(zhǔn)化,來源珍貴,推廣困難[37]。利用基因工程技術(shù)及轉(zhuǎn)基因人源化小鼠生產(chǎn)抗體則是更好的選擇。如利用噬菌體展示技術(shù)可以高效、低成本、大批量地生產(chǎn)抗體藥物。
不同機(jī)構(gòu)研發(fā)的新冠抗體藥物靶點(diǎn)為新冠病毒表面刺突蛋白的不同位點(diǎn)。使用單一的抗體藥物容易誘導(dǎo)病毒變異和進(jìn)化,從而對(duì)現(xiàn)有的中和抗體產(chǎn)生逃逸[38]。如bamlanivimab 單獨(dú)使用導(dǎo)致的新冠逃逸突變率達(dá)10%[37]。為此,科學(xué)家們提出了兩種解決方案。一是研發(fā)針對(duì)病毒刺突保守位點(diǎn)的抗體藥物[39],如sotrovimab,其針對(duì)的保守位點(diǎn)若突變會(huì)影響病毒的功能,但通常保守位點(diǎn)難以接觸及開發(fā)。另一解決方案為“雞尾酒療法”,通過聯(lián)用針對(duì)不同位點(diǎn)的多種抗體來避免逃逸。如抗體藥物組合bamlanivimab/etesevimab 和casirivimab/imdevimab。但由于病毒變異性較強(qiáng),bamlanivimab/etesevimab 組合在獲批近5 個(gè)月后被FDA 建議停止使用。
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,抗體藥物研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟與完善,抗體藥物在生物治療藥物的市場上占據(jù)重要地位,具有廣闊的發(fā)展前景。抗體藥物研發(fā)領(lǐng)域以下幾點(diǎn)有待發(fā)展和完善。
以人血漿來源的抗體藥物成分復(fù)雜,來源稀少,不能滿足巨大的市場需求,且存在倫理問題和潛在的危險(xiǎn)性,而來源于動(dòng)物的抗體藥物免疫原性較強(qiáng),容易引起過敏反應(yīng),如我國抗狂犬病毒免疫球蛋白(rabies immunoglobulin,RIG)主要來源于供漿員血漿和馬血清,不可避免存在以上問題[41-42]。因此,利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)抗體是有效的解決方案,其技術(shù)成熟,可以對(duì)抗體進(jìn)行改造,流程規(guī)范,易于標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模生產(chǎn)。如重組抗狂犬病毒單克隆抗體(rRIG)相關(guān)產(chǎn)品SIIRMab(Rabishield)和RabiMabs(Twinrab)已分別于2016 年和2019 年在印度上市,但至今未獲批進(jìn)口[43]。在中國,由華北制藥集團(tuán)研制的重組人源抗狂犬病毒單抗注射液(rh-RIG)于2021 年8 月獲國家藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)上市,相比于印度的鼠源性RIG,其人源化改造進(jìn)一步減低了免疫原性。同時(shí),基于基因工程技術(shù)大量生產(chǎn)的狂犬抗體能有效緩解我國巨大的RIG供應(yīng)壓力,降低RIG 價(jià)格,提高暴露人群注射RIG的接受度和完成度。
病毒及腫瘤的位點(diǎn)突變?cè)斐傻奶右菔菍?dǎo)致單位點(diǎn)抗體藥物失效的常見原因。如針對(duì)狂犬病毒具有多種病毒株和不同表位的現(xiàn)象,世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)推薦,RIG 制劑應(yīng)是含有結(jié)合病毒多個(gè)中和表位的多株單抗組合成“雞尾酒”式混合制劑,以保證單抗制劑對(duì)不同基因型病毒株的有效性。新冠抗體藥物的聯(lián)合使用也證實(shí)了這一點(diǎn)。即便如此,“雞尾酒”治療策略仍存在許多問題,如多種抗體藥物混用導(dǎo)致藥物毒性增強(qiáng)而特異性未明顯提高[21]。多特異性抗體是含有針對(duì)兩種或兩種以上具有不重疊表位的單克隆抗體產(chǎn)品,相比單位點(diǎn)抗體具有多功能和多特異性,可作為單一組分藥劑靶向針對(duì)多種抗原,是更為先進(jìn)和令人期待的新型抗體藥物。在腫瘤治療中,同時(shí)靶向多個(gè)受體或信號(hào)通路的多特異性抗體可以提高抗體結(jié)合腫瘤細(xì)胞的成功率。在病毒性感染中,多特異性抗體能夠覆蓋更多的抗原表位,對(duì)不同病毒株起效,也可避免病毒獲得性突變逃逸。研究表明,HIV 三特異性抗體相比于多種單抗藥物混合使用有更高的中和效能[44]。因此,相比于單位點(diǎn)抗體混合聯(lián)用,多特異性抗體不良反應(yīng)大大降低,活性更好,具有廣闊的前景。
在臨床應(yīng)用中,不同抗體藥物最佳使用劑量和應(yīng)用時(shí)間還有待探索,使用抗體藥物帶來的不良反應(yīng)也不可忽視,主要包括抗體藥物的免疫原性引起的免疫反應(yīng)、誘發(fā)細(xì)胞因子風(fēng)暴、血細(xì)胞數(shù)量變化等[45],除了優(yōu)化抗體本身,結(jié)合有效的治療策略輔助抗體藥物的使用以減少不良反應(yīng)、提高藥物治療效果也是重要的措施??贵w藥物在臨床實(shí)際應(yīng)用上也可以通過不同治療策略的聯(lián)合使用來進(jìn)行一些嘗試和探索,包括不同抗體藥物之間的聯(lián)合、抗體藥物與傳統(tǒng)化學(xué)藥物的聯(lián)合、抗體藥物與外科手術(shù)的聯(lián)合,期望在臨床實(shí)際工作中相輔相成以發(fā)揮最大的效能。
目前,抗體藥物的研發(fā)仍存在不少問題,包括研究缺乏創(chuàng)新、新的靶點(diǎn)難以開發(fā)、研發(fā)成本高、成功率低、臨床研究進(jìn)展緩慢、缺乏規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)等。目前主要以人源化抗體研發(fā)技術(shù)較成熟且成功上市產(chǎn)品占比較大。不少新型抗體藥物創(chuàng)新性較強(qiáng),研發(fā)流程尚不成熟,多處于臨床前研究階段,相關(guān)管理規(guī)定尚未出臺(tái),在一定程度上限制了抗體藥物的發(fā)展。結(jié)合本次應(yīng)對(duì)新冠疫情的經(jīng)驗(yàn),有研究認(rèn)為,在流行病出現(xiàn)早期,研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)聯(lián)動(dòng)合作,加速研發(fā)有效的抗體藥物是控制流行病進(jìn)一步發(fā)展的重要手段[37,39]。
抗體藥物已呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢,隨著技術(shù)的革新與標(biāo)準(zhǔn)的完善,難題終將逐個(gè)被攻破,成為更加有效、精準(zhǔn)、個(gè)性化的治療手段,更廣泛地應(yīng)用于臨床。