許卓斌，王旻

中國藥科大學生命科學與技術學院， 南京 210009

抗體與抗體藥物的前世今生

許卓斌?，王旻

中國藥科大學生命科學與技術學院， 南京 210009

抗體藥物是生物技術制藥領域的一個重要方面。抗體具有識別抗原的特異性，因而利用抗體診斷與治療疾病是醫(yī)藥研究者長期以來追求的目標?？贵w的發(fā)現(xiàn)與應用離不開免疫學。從免疫系統(tǒng)入手，詳細介紹了抗體物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的歷史進程與臨床應用。近年來，以細胞工程技術和基因工程技術為主體的抗體工程技術已成為生物技術制藥領域的熱點?？贵w藥物的研制與產(chǎn)業(yè)化正以迅速的發(fā)展勢頭進入新的時代。

抗體；可變區(qū)；單克隆抗體；人源化；基因工程

免疫系統(tǒng)對生命活動極其重要，又非常神秘和復雜，因此免疫學一直是諾貝爾獎的?？?。學生們經(jīng)常對免疫學的課程一知半解，一頭霧水。免疫學的發(fā)展和人類與傳染病的斗爭過程是相輔相成的。從最開始的中國人接種“人痘”預防天花的記載算起，到后來的英國人Jenner受到中國人痘接種法的啟示，接種牛痘預防天花，直至今日，免疫學的發(fā)展已有三個半世紀。20世紀初，抗原(Antigen)與抗體(Antibody)的發(fā)現(xiàn)，揭示出了“抗原誘導抗體”這一免疫學的根本問題，促進了免疫學的快速發(fā)展及抗體的臨床應用。

早在19世紀末，抗體被動免疫療法的創(chuàng)立為當時不發(fā)達的疾病治療開辟了新途徑。19世紀80年代后期，學者們在研究病原菌的過程中，發(fā)現(xiàn)白喉桿菌分泌的白喉外毒素有致病性，進而發(fā)現(xiàn)在感染者的血清中有“殺菌素”(bactericidins)，也就是最早發(fā)現(xiàn)的抗體。Von Behring和同事 Kitasato 于1890年正式使用白喉抗毒素治療白喉病人，隨后他們又成功使用白喉脫毒外毒素進行預防接種。當時的科學家們根據(jù)抗體來源的特性，把能刺激宿主產(chǎn)生抗體的物質(zhì)命名為抗原，從而使抗體研究成為免疫學的一個重要分支，促進了抗體治療的快速發(fā)展。1895年，Charles Richet和Jules Hericourt首次將腫瘤細胞注入動物體內(nèi)，嘗試將動物體內(nèi)產(chǎn)生的抗血清(antiserum)用于治療腫瘤患者，結(jié)果顯示患者癥狀得到明顯改善，但是因為抗血清的純度低、特異性差等原因，患者沒能得到治愈。其后不少研究者們重復以上試驗，然而試驗結(jié)果波動較大，無法確定其療效，有時甚至產(chǎn)生嚴重的毒副反應危及生命。后來的研究發(fā)現(xiàn)，抗血清是由多種不同抗體以及其他物質(zhì)組成的混合物，這些抗體分別針對腫瘤細胞表面不同的抗原。長期以來，抗血清主要用于中和外源性毒素如蛇毒等，但未能成功用于腫瘤和其他疾病的治療。

1 抗體發(fā)現(xiàn)

目前，科學家們對于抗體有一個公認的定義?？贵w是一種由B細胞識別抗原后活化、增殖分化為漿細胞，并由漿細胞合成與分泌的、具有特殊氨基酸序列的，能夠與相應的抗原發(fā)生特異性結(jié)合的免疫球蛋白分子。在抗體發(fā)現(xiàn)早期，這種特異性的抗體物質(zhì)勾起了科學家們極大的興趣，科學家們前赴后繼致力于解析抗體的結(jié)構(gòu)，但由于落后的實驗條件，進展緩慢。直到20世紀50年代，科學家們對抗體的結(jié)構(gòu)和抗原抗體識別機理的理解還非常淺顯。1937年瑞典物理學家Arne Wilhelm Kaurin Tiselius通過電泳技術證明了抗體也是一種蛋白質(zhì)，并將其稱為γ球蛋白。1953年英國生物化學家Frederick Sanger成功解析了同樣身為蛋白質(zhì)的胰島素的化學結(jié)構(gòu)，從而為科學家們解析抗體結(jié)構(gòu)指明了方向?？贵w結(jié)構(gòu)的解析離不開美國生物學家Gerald Maurice Edelman，他受到Sanger解析胰島素結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，用β-巰基乙醇處理免疫球蛋白G，分解成兩條鏈，根據(jù)分子量大小分別稱為重鏈和輕鏈，并在此基礎上提出了自己心目中的抗體結(jié)構(gòu)：重鏈和輕鏈折疊形成奇特的袋狀結(jié)構(gòu)，從而識別抗原。1963年，Edelman與Rodney Robert Porter(Sanger的第一個博士研究生)結(jié)合兩人多年的研究結(jié)果，提出了比較成熟的抗體分子模型。他們認為，抗體是由兩條重鏈和兩條輕鏈組成的“Y”型對稱結(jié)構(gòu)，一條輕鏈和一條重鏈的一半組成了“Y”型結(jié)構(gòu)的分支。抗體識別抗原的特異性結(jié)合位點位于“Y”型結(jié)構(gòu)的兩個分支的頂端，輕鏈和重鏈都有一部分包含其中。1969年，Edelman和Porter完成了一項在當時了不起的成就，他們成功對抗體1 300多個氨基酸序列進行了測定，是當時測定氨基酸序列的最大的蛋白質(zhì)分子[1-2]。隨后Edelman繼續(xù)深入研究抗體的結(jié)構(gòu)，陸續(xù)提出了越來越精確的抗體分子結(jié)構(gòu)，包括重鏈可變區(qū)、重鏈恒定區(qū)、輕鏈可變區(qū)、輕鏈恒定區(qū)以及抗體內(nèi)部二硫鍵的位置，同時他認為抗體的差異是由可變區(qū)的差異決定的。

通過對抗體結(jié)構(gòu)的不懈研究，抗體識別抗原的結(jié)構(gòu)基礎得到了有效闡釋，卻仍無法回避抗體多樣性的基本問題。抗體的分子序列并不固定，免疫系統(tǒng)能夠產(chǎn)生不同抗體結(jié)合不同的抗原物質(zhì)。若依據(jù)“一個基因編碼一條多肽鏈”的理論，即使人類基因組都無法滿足抗體多樣性編碼的需求。對于這個問題，Edelman和另一位同行Joseph Gajly于1967年提出了一個抗體多樣性產(chǎn)生的最初的設想[2]。他們認為編碼抗體的基因存在染色體重排現(xiàn)象，識別抗原之后數(shù)量有限的抗體基因通過不同的組合形式編碼無限種類的抗體分子。

在Edelman(圖1左)提出的抗體多樣性理論的基礎上，1976年，日本科學家利根川進(圖1右)和同事在檢測不產(chǎn)生抗體的胚胎細胞和產(chǎn)生抗體骨髓瘤細胞中抗體輕鏈基因的分布時發(fā)現(xiàn)，胚胎細胞中不同抗體基因距離較遠，而骨髓瘤細胞中抗體基因距離接近，這個發(fā)現(xiàn)說明生殖細胞在發(fā)育成免疫細胞的過程中，抗體基因發(fā)生了重新分布現(xiàn)象。利根川進在此基礎上用一系列確鑿的實驗數(shù)據(jù)確定了抗體多樣性是由B淋巴細胞中抗體基因的染色體重排和突變造成的。根據(jù)估算，抗體基因通過重組和突變甚至可以編碼100億種不同的抗體，很好解釋了抗體多樣性產(chǎn)生的原因[3-4]。1987年，利根川進由于抗體多樣性的突破性研究獨享了該年度的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

圖1 Edelman(左)和利根川進(右)

2 抗體結(jié)構(gòu)

任何抗體的輕鏈都可以根據(jù)結(jié)構(gòu)上的差異分為κ或λ型，而抗體的類型則是由重鏈決定的(圖2)。

2.1 重鏈

哺乳動物抗體(Ig)的重鏈一共分為5種，分別用希臘字母α、δ、ε、γ和μ來命名，相對應組成的5種抗體分別稱為IgA、IgD、IgE、IgG和IgM(表1)。不同的重鏈在大小和組成上有所區(qū)別，α、δ和γ型重鏈包含大約450個氨基酸，而μ和ε則有大約550個氨基酸。每個重鏈有兩個區(qū)：恒定區(qū)(CH)和可變區(qū)(VH)。所有同一型的抗體其恒定區(qū)都是相同的，不同型的抗體恒定區(qū)之間則存在差異。重鏈α、δ和γ的恒定區(qū)的組成為3個前后串聯(lián)的Ig結(jié)構(gòu)域(CH1、CH2和CH3)，并有一個鉸鏈區(qū)增加抗體各區(qū)域的靈活性；重鏈μ和ε的恒定區(qū)則由4個Ig結(jié)構(gòu)域組成(CH1、CH2、CH3和CH4)。不同B淋巴細胞產(chǎn)生的抗體其重鏈的可變區(qū)不同，但同一種B細胞產(chǎn)生的抗體可變區(qū)則是相同的，每一個重鏈的可變區(qū)都是大約為110個氨基酸，并組成一個單獨的結(jié)構(gòu)域。

圖2 抗體分子的結(jié)構(gòu)簡化示意圖

2.2 輕鏈

哺乳動物只有兩種輕鏈：λ型和κ型。每條輕鏈有兩個前后相連的結(jié)構(gòu)域：一個恒定區(qū)(CL)和一個可變區(qū)(VL)。輕鏈的長度為210～220個氨基酸，每個抗體包含的兩條輕鏈總是相同的。對哺乳動物來說每一個抗體中的輕鏈只有一個型：κ或λ型。

2.3 Fab和Fc段

抗體Fc段可以直接結(jié)合酶或熒光染料來標記抗體，是在免疫沉淀、免疫印跡和免疫組化等多種免疫結(jié)合反應中識別并結(jié)合二抗的部位?？贵w可以被蛋白水解酶如木瓜蛋白酶水解成2個Fab段和1個Fc段，或者被胃蛋白酶從鉸鏈區(qū)斷開，水解成1個F(ab)2段和1個Fc段。IgG抗體片段有時是非常有用的。由于缺少Fc段，F(xiàn)ab段不會和抗原發(fā)生沉淀，也不會在活體研究中被免疫細胞捕獲。因為分子片段較小，且缺乏交聯(lián)功能(由于Fc段的缺失)，F(xiàn)ab段通常用于功能性研究中的放射性標記。Fc段則主要用做免疫組化染色中的阻斷劑。

3 單克隆抗體

抗體技術又一次重大突破是單克隆抗體技術的誕生。為了便于區(qū)別，此前以抗原免疫動物獲得抗血清途徑制備的抗體則稱之為多克隆抗體。1975年英國科學家Milstein和法國科學家Kohler將產(chǎn)生抗體的B淋巴細胞同腫瘤細胞融合形成雜交瘤細胞[5]。雜交瘤細胞具備親本細胞的特性，既可以產(chǎn)生抗體，又具有腫瘤細胞無限增殖的特性，從而持續(xù)分泌單克隆抗體。單克隆抗體優(yōu)點眾多，在抗體臨床應用過程中具有劃時代的意義。除了易于通過細胞工程手段在體外大量制備以外，尤其重要的是單克隆抗體識別的高度特異性以及產(chǎn)生的均一性，和多克隆抗體相比可以大大降低在病人體內(nèi)的交叉反應，同時為利用抗體治療腫瘤帶來了新的希望，被形象地稱之為“魔彈”，希望單克隆抗體靶向攻擊致病源而不產(chǎn)生毒副作用。兩位科學家因此被授予1984年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

表1 不同抗體的組成、大小、結(jié)構(gòu)以及功能的區(qū)別

4 人源化抗體

由于通過雜交瘤技術制備的單克隆抗體是鼠源性的，應用于人體不可避免地引起人抗鼠抗體(HAMA)反應，限制了單克隆抗體的臨床應用。為了克服這種缺陷，20世紀80年代中期研究者們尋求以基因工程技術對鼠源性單克隆抗體進行改造，嘗試對其人源化處理(圖3)。如將鼠源抗體可變區(qū)與人抗體恒定區(qū)拼接而形成嵌合抗體，或?qū)⑹罂贵w可變區(qū)的互補決定區(qū)(CDR區(qū))與人的抗體的互補決定區(qū)互換構(gòu)成人源化抗體，等等。

圖3 抗體人源化的基本原理

4.1 人鼠嵌合抗體

人鼠嵌合抗體是指鼠源抗體的恒定區(qū)被人抗體的恒定區(qū)所取代，保留鼠單抗的可變區(qū)序列，形成所謂的人鼠嵌合抗體。操作過程簡便，同時大幅度降低HAMA反應，而與親本鼠單抗的親和力相比幾乎沒有改變。另外，由于恒定區(qū)替換成了人抗體恒定區(qū)，人鼠嵌合抗體還具有與人抗體同樣的效應功能，如抗體依賴的細胞介導的細胞毒作用(ADCC)、補體固定作用等[6]。嵌合抗體成功的例子：Rituxan(中文名美羅華)，羅氏公司的抗 CD20 抗體，用于治療 B 淋巴瘤，含人IgG1恒定區(qū)。它的抗淋巴瘤作用主要來自于補體作用、ADCC作用和誘導腫瘤細胞凋亡。2015年此單一產(chǎn)品的銷售額達到70億美元。但是更多的臨床數(shù)據(jù)顯示，不同的嵌合抗體有著不同程度的免疫原性，所以有必要進一步降低鼠源性。

4.2 人源化抗體

因為人鼠嵌合抗體僅僅消除了鼠源單抗的部分異源性，未經(jīng)改造的可變區(qū)的鼠源序列依然可以誘導人體產(chǎn)生HAMA反應，因此對鼠源抗體可變區(qū)的進一步進行人源化改造是必然趨勢[7-8]。通過研究大量小鼠抗體可變區(qū)序列，截取可變區(qū)中與抗原直接接觸的序列(互補決定區(qū))與人抗體可變區(qū)的框架區(qū)嫁接，經(jīng)過親和力重塑，可在極大程度上保持親本抗體的特異性和親和力，同時在人鼠嵌合抗體的基礎上進一步消除免疫原性和毒副作用。人源化抗體成功的例子： Herceptin (中文名赫賽汀)，羅氏公司治療人表皮生長因子的受體-2(HER2)過度表達的轉(zhuǎn)移性乳腺癌抗體，2015年銷售額超過60億美元。

4.3 全人抗體

通過轉(zhuǎn)基因技術，在體外加工形成功能完全的全人抗體，或者利用基因工程改造的抗體基因缺失動物表達人類抗體，從而獲得全人源抗體，避免了鼠源性單抗的種種缺點。全人抗體是用于臨床治療的理想抗體，目前主要通過抗體庫技術以及轉(zhuǎn)基因小鼠技術等方法生產(chǎn)全人抗體。

4.3.1 抗體庫篩選技術

從狹義上講，所謂抗體庫技術，就是通過基因工程手段克隆全套抗體重鏈和輕鏈可變區(qū)基因，表達有功能的抗體分子片段，最后通過親和篩選獲得與抗原產(chǎn)生特異性結(jié)合的抗體可變區(qū)基因的技術[9]。利用抗體庫技術獲得的抗體基因?qū)⒈挥糜隗w外表達基因工程抗體。不僅如此，抗體庫技術還能夠?qū)σ延械目贵w分子進行改造，如降低鼠源性、提高親和力和穩(wěn)定性等?？贵w庫篩選技術主要包括：噬菌體抗體庫和核糖體展示技術。

(1) 噬菌體展示技術

從人B淋巴細胞中分離抗體可變區(qū)基因，擴增抗體VH和VL基因片段，隨后將體外擴增的基因片段隨機克隆形成組合文庫；將基因組合文庫噬菌體外膜蛋白融合表達，展示在噬菌體顆粒的表面。最后用固相化抗原直接、高效地篩選出表達特異性好、親和力強的抗體基因序列[10-11]，經(jīng)體外加工形成全人抗體。目前，利用噬菌體抗體庫技術已經(jīng)非常成熟，在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應用，而且通過該技術成功篩選出大量進入臨床應用的抗體。全人抗體成功的例子：Humira(中文名修美樂)，雅培公司研發(fā)的抗TNF全人單抗，是人單克隆重鏈和輕鏈經(jīng)二硫鍵結(jié)合的二聚物，用于治療關節(jié)炎。Humira全球銷售額連續(xù)多年超過140億美元，是2015年全球最暢銷藥品。

(2) 核糖體展示技術

擴增目的基因文庫，再加上各種體外表達的必須元件，在轉(zhuǎn)錄/翻譯偶聯(lián)系統(tǒng)作用下，形成“蛋白質(zhì)-核糖體-mRNA”三元復合物，用靶抗原反復篩選復合物，分離mRNA，逆轉(zhuǎn)錄富集目的基因，從而獲得庫容量大、特異性強、親和力高的人源基因工程抗體庫。

核糖體展示技術無需進行體內(nèi)外系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，全程只需通過簡單的基因工程手段，使得其建庫時間大大縮短，簡化篩選流程。同時PCR技術還可定向引入突變序列，提高靶基因多樣性，便于篩選高親和力抗體序列。

4.3.2 轉(zhuǎn)基因小鼠制備全人抗體

簡單地說就是將人抗體基因替換小鼠的抗體基因生成轉(zhuǎn)基因小鼠。美國Cell Genesys公司和Gerrpharm公司于1994年同年先后宣布成功研發(fā)轉(zhuǎn)基因小鼠生產(chǎn)全人抗體。運用轉(zhuǎn)基因小鼠技術進一步制備一系列功效優(yōu)越、親和力高的抗體。但是也存在不足之處，所制備的抗體通常具有不完全的人序列以及鼠糖基化修飾，因此這些單抗的最終形式也并不是全人的[12-13]。

5 小分子抗體

抗體分子可變區(qū)組成的Fv段是與抗原結(jié)合的結(jié)構(gòu)基礎，在Fv段的基礎上可以構(gòu)建具有抗原結(jié)合功能的抗體分子片段，也叫作小分子抗體。小分子抗體是制備其他基因工程抗體的前提。

5.1 抗原結(jié)合片段( Fragment with antigen binding, Fab)

Fab片段包括重鏈Fd段(可變區(qū)VH和第一恒定區(qū)CH1)和完整輕鏈，不含F(xiàn)c段，重鏈Fd段和輕鏈間有一個二硫鍵，形成異二聚體結(jié)構(gòu)。整個Fab分子占完整抗體大小的三分之一，具有一個抗原結(jié)合位點。木瓜蛋白酶可以水解全長抗體獲得Fab片段。Fab片段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有與完整抗體相似的抗原結(jié)合活性，但親和力較低。Fab片段多用于對腫瘤進行成像診斷，陽性率最高達95%。F(ab)2抗體片段由兩個Fab片段組合而成，可以同時與兩個抗原表位結(jié)合，在臨床尤其是在放射免疫治療中應用廣泛。必須強調(diào)的是，目前Fab片段和F(ab)2片段都有FDA批準的藥物上市。

5.2 單鏈抗體( single chain Fv，scFv)

scFv由重鏈可變區(qū)VH和輕鏈可變區(qū)VL通過連接肽結(jié)合在一起，是含有完整抗原結(jié)合部位的最小抗體片段，易于大腸桿菌表達。目前所有成功制備的單鏈抗體都來源于基因工程手段。由于分子量較小，不僅抗原性較小，而且用于腫瘤治療時組織穿透能力強，容易進入實體瘤內(nèi)部；用于體內(nèi)顯像時，因不具備Fc段，所以本底較低，與傳統(tǒng)單克隆抗體和Fab片段相比顯示出優(yōu)越性。

6 抗體片段的改型

6.1 納米抗體(Nanobody)

1993年Hamers等[14]首次報道，駱駝體內(nèi)有一半抗體天然缺失全長輕鏈和重鏈恒定區(qū)CH1，這種僅由單獨重鏈可變區(qū)的抗體片段，被稱為“納米抗體”，它是最小的功能性抗原結(jié)合片段。納米抗體性質(zhì)獨特，易于進行基因改造，在疾病診斷和靶向治療等方面具有廣闊的前景。

6.2 雙特異性抗體(Bispecific antibody，BsAb)

雙特異性抗體是通過基因工程手段將兩個分別靶向不同抗原的抗體片段組合在一起，所以具有兩種抗原結(jié)合位點，發(fā)揮協(xié)同作用，進而提高治療效果[15]。這種結(jié)構(gòu)設計能有效地改善抗體藥物在體內(nèi)的藥物代謝動力學過程，增強臨床治療效果。然而，設計出療效好、穩(wěn)定性高且利于生產(chǎn)的BsAb仍需深入研究。

7 結(jié)語

抗體研究經(jīng)歷了比較曲折的發(fā)展過程。歷經(jīng)20世紀前期的緩慢發(fā)展，到1975年單克隆抗體技術問世，受到了相關領域?qū)W者們的高度重視，逐漸廣泛用于免疫、醫(yī)學、腫瘤和細胞生物學等領域。第一個應用單克隆抗體治療是在1982年，Karr將一株抗獨特型單抗應用于B細胞淋巴瘤的治療獲得成功，治療性抗體的研究很快成為生物制藥行業(yè)的熱點。1986年，美國FDA批準抗CD3單抗OKT3進入市場，用于器官移植時的抗排斥反應。然而，隨著研究的廣泛深入，大量的臨床試驗結(jié)果背離了人們的期望，許多單抗在臨床應用中屢遭失敗，抗體的應用一度陷入低谷。此后，隨著分子生物學技術的發(fā)展，情況有了很大的改觀[16]。中國在研究治療性抗體方面也取得了階段性的成果，有很多試劑抗體或診斷用抗體進入市場。目前，中國抗體藥物開發(fā)市場正處于高速發(fā)展的時期。截止2015年底，批準上市的國產(chǎn)單克隆抗體藥物數(shù)量僅有10種。表2是已獲CFDA批準的國產(chǎn)單克隆抗體。

國內(nèi)的10個抗體藥物產(chǎn)品中，3個是鼠源型，1個嵌合型和2個人源化單抗，另有4個Fc融合蛋白類藥物，而國外市場上人源和全人源化單抗藥品約占90%。

抗體人源化以及全人源抗體的制備已經(jīng)成為當今治療性抗體的發(fā)展趨勢，同時，各種抗體衍生物也不斷涌現(xiàn)，它們從不同角度克服了抗體本身的應用局限，也為治療人類疾病提供了更多利器。

(2016年3月28日收稿)■

表2 已獲CFDA批準的國產(chǎn)單克隆抗體

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Pastlife of antibody and antibody drug

XU Zhuobin, WANG Min

College of Life Science & Technology, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China

Antibody drug plays a critical role in biotechnology pharmaceutical feld. It is a long term goal for antibody to diagnose and treat disease by its specifc for antigen recognition. The discovery and application of antibody are inseparable from immunology. From the immune system, a detailed description of the historical process of discovery and clinical application of antibody was carried out. In recent years, cell engineering and genetic engineering technology as the main antibody engineering technology have been a hot feld of pharmaceutical biotechnology. Antibody drug development and industrialization are entering a new age rapidly.

antibody, variable region, monoclonal antibody, humanization, genetic engineering

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.04.007

?通信作者，E-mail: minwang@cpu.edu.cn