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科研干货

科研干货丨新一代"生物技术导弹"--纳米抗体

近年来,随着抗体药物更多地应用于临床治疗领域,对抗体药物治疗机理的复杂性认识更加深入。同时,对抗体药物结构的研究也趋于多样化。纳米抗体(Nanobody,Nb)因具有相对较小的分子质量,及独特的分子结构,使其更适合于疾病的诊断、治疗等诸多方面,当前得到了广泛的关注。

一、纳米抗体是什么?
抗体是一种免疫球蛋白,大多数动物和人体内的IgG抗体是由轻链和重链组成的Y字形结构,分子量一般在150 kDa左右。1993年,比利时科学家Hamers-Casterman及其团队首先报道了在骆驼科动物(骆驼,羊驼及其近亲物种)血液中发现的一种缺失轻链的特殊抗体,即重链抗体。和普通抗体相比,它只包含一个重链可变区(VHH)和两个常规的CH2与CH3区。克隆其可变区,可以得到只有重链可变区组成的单域抗体。VHH晶体为2.5纳米(毫微米),长4纳米,分子量只有15kDa,它是自然界存在最小的功能性抗原结合片段,称为纳米抗体(Nanobody, Nb)。

图1 纳米抗体与哺乳动物抗体对比(图片来源于网络)

二、纳米抗体的结构

骆驼源VHH(即Nb)和人体VH的基因同源性达到80%~90%,结构十分相似,都具备CDR1, CDR2, CDR3(Complementarity-determining region)互补决定区,和4个骨架区域FR (framework region),如下图。

图2-1 纳米抗体示意图(图片来源于网络)


通过比较发现,骆驼VHH 与人体VH之间存在微小但不容忽视的区别,主要包含以下方面:(1)它们的互补决定区(CDR)不同。VHH的CDR1和CDR3比VH更长。VHH的CDR3长度为16~18个氨基酸,而人和小鼠VH的平均长度分别只有14和12个氨基酸。较长的CDR3弥补了VL的缺失。CDR3区域主要决定了纳米抗体VHH的特异性并维持了和抗原的强结合。其指状的延伸可到达常规抗体无法结合的表位。(2)纳米抗体VHH其内部存在环间二硫键,这些额外的二硫键帮助其在恶劣环境中仍然可以维持构象的稳定,纳米抗体往往相对常规抗体更耐高温,酸碱pH或有机溶剂。 (3)它们的区别在于FR2中的氨基酸。普通抗体的FR2中V37、G44、L45和W47这4个氨基酸残基是疏水性残基,在进化中相当保守。而VHH中,它们突变为亲水性的氨基酸残基F37、E44、R45、G47,增加了VHH的溶解性,帮助其在单体状态下维持构象的稳定和不产生聚集。

图2-2 纳米抗体结构示意图(图片来源于网络)

三、纳米抗体优势
    基于羊驼重链抗体的VHH单域抗体的特殊结构,兼具了传统抗体与小分子药物的优势,几乎完美克服了传统抗体的开发周期长,稳定性较低,保存条件苛刻等缺陷,逐渐成为新一代治疗性生物医药与临床诊断试剂中的新兴力量。相比于常规抗体,纳米抗体的优势有:

(1)分子量小,可穿透血脑屏障;

(2)原核或真核系统中高表达;

(3)特异性强,亲和力高;

(4)对人的免疫原性弱。

图3 纳米抗体用途(图片来源于网络)

四、纳米抗体的制备

第一步:羊驼免疫。一般免疫4~5次,每次免疫抗原剂量约0.5 mg左右。

第二步:提取RNA,构建噬菌体文库。即分离羊驼外周血B淋巴细胞,提取淋巴细胞中RNA,反转录为cDNA,再进行PCR扩增,电转化至感受态细胞后建立噬菌体文库,经噬菌体展示技术得到多株阳性克隆。

第三步:阳性克隆的表达纯化、验证。用icELISA检测方法确定其抗原结合活性及抑制率后进行存菌、大量表达纯化既得纳米抗体活性蛋白。最后建立相应检测方法评估所得纳米抗体的抗原结合特异性、稳定性等各方面性能并进行应用。

图4 纳米抗体制备流程图(图片来源于网络)

五、纳米抗体的应用

(1)体外诊断

在疾病体外诊断方面,纳米抗体具有易渗透、肾脏快速清除的优势,可用荧光探针、酶示踪剂、生物素等分子进行标记作为示踪剂,与分子成像技术相结合,从而优化成像系统,成为体外和体内成像的理想选择。

(2)疾病治疗

纳米抗体自身的高亲合力和特异性,使得它更容易在阻塞部位与癌症细胞上的受体靶向结合,渗入到血管少的组织内。同时鉴于纳米抗体的低免疫原性,将纳米抗体对小鼠进行重复给药,经检测没有引起任何体液和细胞免疫反应,对疾病的治疗有重要意义。包括应用于纳米抗体的载体递送系统、纳米抗体偶联药物、基于纳米抗体的CAR-T靶点治疗、抗病毒感染治疗。

图5 纳米抗体在疾病治疗中的应用(图片来源于网络)

六、结语

总的来说,纳米抗体在疾病诊断和治疗中具有重要作用,其特性从根本上不同于传统的双链结构抗体。纳米抗体分子量小,结合抗原特异性强、亲和力高,稳定性好,使其能够成功地靶向肿瘤、肿瘤微环境和病毒感染的抗原等。纳米抗体的全部可能应用还有待探索,但作为一种新型的抗体,其将持续在领域内发光发热。


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