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    知識分享 | IgG型抗體Fc工程化改造策略
    2021-03-12 訪問次數:260
    ? ? ? ?自1975年第一代單克隆抗體制備成功以來,治療性抗體藥物發展迅速,逐漸成為近年來對抗癌癥、病毒感染以及免疫性疾病的有效途徑之一。在治療性抗體的開發研究中,其抗體通常有兩種方法對靶細胞起到殺傷或誘導其死亡的作用,一種是依賴抗體中的Fab片段特異性的識別靶細胞表面的相關抗原,對其抗原的相關信號通路進行調控干擾,另一種則是通過抗體的Fc區域與免疫細胞表面的Fc gamma受體(FcγR)或其他配體結合后所產生的相關作用來進一步提高該抗體的治療效果,針對Fc片段的改造工程現在已成為提高抗體療效的熱點之一。本文將對IgG型抗體的Fc區域的作用機理及Fc改造工程的改造策略及應用等進行介紹。
    一、IgG型抗體Fc端與FcγR及補體的相互作用
    ? ? ? ?Fc端可以與FcγR及補體蛋白C1q結合介導一些細胞殺傷作用。FcγRs作為免疫應答的調控因子之一,對B細胞激活、樹突細胞成熟及包括抗體依賴細胞介導的細胞吞噬作用(ADCP)、抗體依賴細胞介導的殺傷作用(ADCC)在內的一些其他效應反應都起到重要的作用,而IgG-Fc與C1q的結合可以啟動補體級聯蛋白的組裝從而引起補體介導的細胞毒性作用(CDC)。因此,Fc與二者的結合力強弱是Fc改造工程的重點之一。人源的FcγRs可大致分為FcγRI(CD64)、FcγRIIa(CD32a)、FcγRIIb(CD32a)、FcγRIIIa(CD16a)及FcγRIIIb(CD16b)幾種不同的類型,其中FcγRIIb一般在免疫調控中起抑制作用,其他的均對免疫作用起激活作用。這些受體廣泛表達于單核細胞、巨噬細胞、樹突細胞、B細胞、天然殺傷細胞(NK)等大部分免疫細胞中,介導與IgG的Fc結合。每一受體與不同亞型的IgG抗體的結合能力也不盡相同(見圖1),IgG-Fc與FcγIIa、FcγRIIIa及FcγIIIb的親和力強弱對抗體介導的ADCC/ADCP作用往往起到關鍵性作用,這很大程度上影響了抗體免疫治療的有效性及副作用大小。目前,為了增強抗體Fc端功能,大部分治療性抗體多為 IgG1或IgG3這兩種亞型,其中因IgG1具有更強的穩定性及較長的半衰期,所以IgG1型占多數。
    ? ? ? ?FcγRs是高度多態性的,這種多態性對其與IgG分子的結合能力也有很大影響,這一定程度影響抗體的臨床效果。以FcγRIIa及FcγRIIIa為例,FcγRIIaH131對IgG2型抗體的結合力明顯優于FcγRIIaR131,而FcγRIIIa158V相較于FcγRIIIaF158對IgG1及IgG3抗體有較高的親和力。這一現象也一定程度指導了許多Fc端具有功能性的抗體的臨床研究。

    ?· 圖1 ·? ?FcγRs與四種不同亞型IgG的親和力對比(文獻2)
    ? ? ? ?除此之外,IgG-Fc還會與補體蛋白C1q結合從而介導補體依賴的細胞毒作用(CDC),與IgG-Fc和FcγR的結合類似,IgG1及IgG3型抗體介導的CDC作用較為明顯。
    二、提高Fc功能性的主要抗體改造形式
    ? ? ? ?通過IgG-Fc與FcγR及C1q之間相互作用的進一步了解,針對通過改變他們之間的關系從而增強Fc功能的一些Fc改造策略逐漸涌現出來,下面會簡略介紹幾個目前較為主流的Fc改造策略。
    ? ? ? ?2.1 糖工程學
    ? ? ? ?IgG抗體鉸鏈區及Fc的CH2區往往可以決定Fc的空間構象,空間構象的改變一定程度可以影響到Fc區域與其相關受體結合的強弱。CH2中存在天冬氨酸297(N297)的糖基化修飾位點,這一修飾位點常攜帶多個聚糖以此來維持CH2的穩定性及行駛其動力學功能。這些聚糖通常包括核心部分N-乙?;咸牵℅lcNAc)及甘露糖、同時伴隨一些半乳糖、平分GlcNAc、巖藻糖及唾液酸組成不同糖型。通過對Fc端聚糖的組成部分進行優化改動,能夠有效地提升Fc的功能性。
    ? ? ? ?目前對Fc區域進行的糖工程學相關改造大多聚集在加強Fc與FcγRIIIa的親和力上。針對巖藻糖改造的研究較多且得到了比較理想的結果,巖藻糖的去除能夠增加IgG-Fc與FcγRa Asn162的結合來進一步提升Fc端對FcγRIIIa的親和力并且提高ADCC/ADCP作用。目前Fc區域的半乳糖苷化及唾液酸苷化是否能夠明顯加強ADCC作用爭論較大,其結果也經常差異巨大。有研究認為Fc端的半乳糖苷化似乎可以通過增強Fc與C1q的結合能力來加強CDC作用,而Fc的去巖藻糖化似乎對CDC作用的影響相對不大。糖工程化改造上比較有代表性的如obinutuzumab(Anti-CD20)和的mogamulizumab(Anti-CCR4)目前均已獲批上市,較同靶點抗體其效果也被證明有明顯提高。也有很多公司將自己的抗體藥物進行相關改造并取得了不錯的成績。(表1)
    ? ? ? ?近些年主流生產抗體的方式是通過哺乳動物細胞表達得到的,工業上較為常見的表達體系有如中國倉鼠細胞(CHO)、小鼠骨髓瘤細胞(NS0)及小鼠雜交瘤細胞(Sp2/0)等,臨床前研究上一些人源的表達體系如人胚腎細胞(HEK293)也常用于抗體的表達。由于糖基化相對復雜的過程,其在細胞培養中往往無法完全控制,因此去巖藻糖抗體的生產往往需要對常規哺乳動物表達系統進行改進,常見的如通過敲除CHO細胞中巖藻糖轉移酶基因(Fut8)或使CHO細胞表達N-乙酰氨基葡萄糖轉移酶III得到能夠表達去巖藻糖抗體的穩定細胞系,目前已有一些相對成熟的技術已被商業化(表2)。
    ?· 表1 ·? ?Fc區糖工程改造實例(文獻3)

    ?· 表2 ·? ?目前一些主流商業化糖工程改造技術(文獻3)

    ? ? ? ?2.2 定點突變
    ? ? ? ?與通過改變糖基化的Fc改造策略的目的相同,通過定點突變的方式同樣可以一定程度提升Fc區域與其受體的親和力。一些突變組合如S298A/E33A/K334A、S293D/1332E、F243L/R292P/Y300L/V305I/P396等都已被證明可以顯著提升Fc與FcγRIIIa的結合力并進一步提高ADCC/ADCP作用。而像K326W/E333S及S267E/H268E/S324T這兩種突變組合則被證明出可以增強Fc與C1q的親和力。
    ?· 表3 ·? ?一些臨床及臨床前研究性抗體Fc區域所進行的突變組合實例(文獻4)

    ? ? ? ?隨著越來越多的抗體藥物進入臨床甚至上市,十幾家公司共同研發同靶點藥物的現象不在少數,Fc工程化改造在能夠提升抗體藥效的同時也為目前抗體研發提供了更多百花齊放的機會。相信在不久的將來隨著已有技術的成熟和更多新技術的涌現,抗體治療能夠在人類醫療事業發展上涂抹更加濃重的一筆。
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    參考文獻:
    1.Hilma J van der Horst et al,Fc-Engineered Antibodies with Enhanced Fc-Effector Function for the Treatment of B-Cell Malignancies, Cancers . 2020 Oct 19;12(10):3041.(主要參考文獻)
    2.Caaveiro, J.M.M.; Kiyoshi, M.; Tsumoto, K. Structural analysis of Fc/Fc R complexes: A blueprint for antibody design. Immunol. Rev. 2015, 268, 201–221.
    3. Racher A, Obrezanova O. Modulating IgG effector function by FC engineering and glycoengineering. From Lonza Whitepaper. https://go2.lonza.com/EffectorFunctionWhitepaper. html
    4. Bournazos, S., Gupta, A. & Ravetch, J.V. The role of IgG Fc receptors in antibody-dependent enhancement. Nat Rev Immunol 20, 633–643 (2020).?


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