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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(shù):4165
? ? ? ?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(fā)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(fā)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(diào)控干擾,另一種則是通過抗體的Fc區(qū)域與免疫細胞表面的Fc gamma受體(FcγR)或其他配體結(jié)合后所產(chǎn)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(xiàn)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(qū)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(jié)合介導一些細胞殺傷作用。FcγRs作為免疫應答的調(diào)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(nèi)的一些其他效應反應都起到重要的作用,而IgG-Fc與C1q的結(jié)合可以啟動補體級聯(lián)蛋白的組裝從而引起補體介導的細胞毒性作用(CDC)。因此,F(xiàn)c與二者的結(jié)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(diào)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(jié)合。每一受體與不同亞型的IgG抗體的結(jié)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(wěn)定性及較長的半衰期,所以IgG1型占多數(shù)。
? ? ? ?FcγRs是高度多態(tài)性的,這種多態(tài)性對其與IgG分子的結(jié)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,F(xiàn)cγRIIaH131對IgG2型抗體的結(jié)合力明顯優(yōu)于FcγRIIaR131,而FcγRIIIa158V相較于FcγRIIIaF158對IgG1及IgG3抗體有較高的親和力。這一現(xiàn)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(jié)合從而介導補體依賴的細胞毒作用(CDC),與IgG-Fc和FcγR的結(jié)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(xiàn)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(qū)及Fc的CH2區(qū)往往可以決定Fc的空間構(gòu)象,空間構(gòu)象的改變一定程度可以影響到Fc區(qū)域與其相關受體結(jié)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(wěn)定性及行駛其動力學功能。這些聚糖通常包括核心部分N-乙酰基葡糖(GlcNAc)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(yōu)化改動,能夠有效地提升Fc的功能性。
? ? ? ?目前對Fc區(qū)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(jié)果,巖藻糖的去除能夠增加IgG-Fc與FcγRa Asn162的結(jié)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(qū)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(jié)果也經(jīng)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(jié)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(chǎn)抗體的方式是通過哺乳動物細胞表達得到的,工業(yè)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(yǎng)中往往無法完全控制,因此去巖藻糖抗體的生產(chǎn)往往需要對常規(guī)哺乳動物表達系統(tǒng)進行改進,常見的如通過敲除CHO細胞中巖藻糖轉(zhuǎn)移酶基因(Fut8)或使CHO細胞表達N-乙酰氨基葡萄糖轉(zhuǎn)移酶III得到能夠表達去巖藻糖抗體的穩(wěn)定細胞系,目前已有一些相對成熟的技術已被商業(yè)化(表2)。
?· 表1 ·? ?Fc區(qū)糖工程改造實例(文獻3)

?· 表2 ·? ?目前一些主流商業(yè)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(qū)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(jié)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(qū)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(fā)同靶點藥物的現(xiàn)象不在少數(shù),F(xiàn)c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(fā)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(xiàn),抗體治療能夠在人類醫(yī)療事業(yè)發(fā)展上涂抹更加濃重的一筆。
? ? ? ?原創(chuàng)內(nèi)容未經(jīng)授權,禁止轉(zhuǎn)載至其他平臺。

參考文獻:
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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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