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从抗体到抗体药物的百年历史

有41人浏览 日期:2018-11-23放大字体  缩小字体

 抗体是一种由B细胞识别抗原后活化、增殖分化为浆细胞,并由浆细胞合成与分泌的、具有特殊氨基酸序列的,能够与相应的抗原发生特异性结合的免疫球蛋白分子。抗体的出现,极大地帮助了医生治愈疾病,而说到抗体,又不得不让人想到抗体药。

抗体药作为一种以细胞、基因工程技术为主题的抗体工程技术进行制备、与靶抗原结合具有高特异性、有效性和安全性,临床用于恶性肿瘤、自身免疫病等重大疾病,发展迅速的生物制剂药物,它的发展并不是一蹴而就的。抗体的发现以及抗体药的临床应用经历了一段漫长的历史进程。

抗体的发现

19世纪80年代后期,学者们在研究病原菌的过程中,发现在感染者的血清中有“杀菌素”(bactericidins),也就是最早发现的抗体。当时的科学家们根据抗体来源的特性,把能刺激宿主产生抗体的物质命名为抗原,从而使抗体研究成为免疫学的一个重要分支,促进了抗体治疗的快速发展。抗体发现早期,科学家们前赴后继致力于解析抗体的结构,但由于落后的实验条件,进展缓慢。直到20世纪50年代,科学家们对抗体的结构和抗原抗体识别机理的理解还非常浅显。

1953年,英国生物化学家FrederickSanger成功解析了同样身为蛋白质的胰岛素的化学结构,从而为科学家们解析抗体结构指明了方向。抗体结构的解析离不开美国生物学家Gerald Maurice Edelman,他受到Sanger解析胰岛素结构的启发,用β-巯基乙醇处理免疫球蛋白G,分解成两条链,根据分子量大小分别称为重链和轻链,并在此基础上提出了自己心目中的抗体结构:重链和轻链折叠形成奇特的袋状结构,从而识别抗原。

1963年,Edelman与Rodney Robert Porter(Sanger的第一个博士研究生)结合两人多年的研究结果,提出了比较成熟的抗体分子模型。他们认为,抗体是由两条重链和两条轻链组成的“Y”型对称结构,一条轻链和一条重链的一半组成了“Y”型结构的分支。抗体识别抗原的特异性结合位点位于“Y”型结构的两个分支的顶端,轻链和重链都有一部分包含其中。

1969年,Edelman和Porter完成了一项在当时了不起的成就,他们成功对抗体1 300多个氨基酸序列进行了测定,是当时测定氨基酸序列的最大的蛋白质分子。随后Edelman继续深入研究抗体的结构,陆续提出了越来越精确的抗体分子结构,包括重链可变区、重链恒定区、轻链可变区、轻链恒定区以及抗体内部二硫键的位置,同时他认为抗体的差异是由可变区的差异决定的。通过对抗体结构的不懈研究,抗体识别抗原的结构基础得到了有效阐释,却仍无法回避抗体多样性的基本问题。抗体的分子序列并不固定,免疫系统能够产生不同抗体结合不同的抗原物质。若依据“一个基因编码一条多肽链”的理论,即使人类基因组都无法满足抗体多样性编码的需求。

1976年,日本科学家利根川进和同事在检测不产生抗体的胚胎细胞和产生抗体骨髓瘤细胞中抗体轻链基因的分布时发现,胚胎细胞中不同抗体基因距离较远,而骨髓瘤细胞中抗体基因距离接近,这个发现说明生殖细胞在发育成免疫细胞的过程中,抗体基因发生了重新分布现象。利根川进在此基础上用一系列确凿的实验数据确定了抗体多样性是由B淋巴细胞中抗体基因的染色体重排和突变造成的。根据估算,抗体基因通过重组和突变甚至可以编码100亿种不同的抗体,很好解释了抗体多样性产生的原因。1987年,利根川进由于抗体多样性的突破性研究独享了该年度的诺贝尔生理学或医学奖。


(图片来源自网络,如有侵权,请联系删除。)

抗体的结构

单克隆抗体的诞生

1975年英国科学家Milstein和法国科学家Kohler将鼠源的B淋巴细胞同肿瘤细胞融合形成杂交瘤细胞。第一代单克隆抗体(monoclonal antibody, MAb)就此诞生。这种抗体特异性高,性质均一,易于大量生产,为肿瘤等疾病的治疗带来了新的希望。但由于人的免疫系统可以识别鼠源性单克隆抗体,产生人抗鼠抗体并将其中和,因此限制了它的应用。并且由于抗体本身分子质量较大,体内血管穿透力低,生产成本高等原因不利于大规模工业化生产。因此寻找一种具备大规模工业化生产条件的新型抗体药物的研发刻不容缓。

人源化抗体的出现

人-鼠嵌合抗体

人鼠嵌合抗体是指鼠源抗体的恒定区被人抗体的恒定区所取代,保留鼠单抗的可变区序列,形成所谓的人鼠嵌合抗体。在20世纪80年代中期研究者通过基因工程方法改造鼠源单克隆抗体制备人源化抗体(humanized antibody)。1984年Morrison等人将鼠单抗可变区与人IgG恒定区在基因水平上连接在一起,成功构建了第一代人-鼠嵌合抗体。嵌合抗体成功的例子:Rituxan(中文名美罗华),罗氏公司的抗 CD20 抗体,用于治疗 B 淋巴瘤,含人IgG1恒定区。它的抗淋巴瘤作用主要来自于补体作用、ADCC作用。2015年此单一产品的销售额达到70亿美元。但是更多的临床数据显示,不同的嵌合抗体有着不同程度的免疫原性,所以有必要进一步降低鼠源性。

人源化抗体

嵌合抗体虽然可以部分解决异种蛋白的排斥问题,但其鼠源可变区依然可能会诱发HAMA反应,干扰疗效。因此CDR移植人源抗体的出现为人源化抗体药物的研发带来了转机。CDR移植抗体在嵌合抗体的基础上进一步用人源框架区(framework Region, FR)替代鼠源,仅保留3个鼠源性CDR,人源性可达90%以上。研究发现,具有支持作用的FR有时还参与抗体结合,降低了抗原-抗体结合的亲和力。利用亲和力重塑,可在极大程度上保持亲本抗体的特异性和亲和力,解决了抗原抗体结合的问题。人源化抗体成功的例子: Herceptin(中文名赫赛汀),罗氏公司治疗人表皮生长因子的受体-2(HER2)过度表达的转移性乳腺癌抗体,2015年销售额超过60亿美元。如果有相应需求,可咨询爱康得生物。

全人源抗体

通过转基因技术,在体外加工形成功能完全的全人源抗体,或者利用基因工程改造的抗体基因缺失动物表达人类抗体,从而获得全人源抗体,避免了鼠源性单抗的种种缺点。全人源抗体是用于临床治疗的理想抗体,目前主要通过抗体库技术以及转基因小鼠技术等方法生产全人源抗体。80年代中期,Georgep.s在前人对丝状噬菌体分子生物学研究的基础上首先提出了噬菌体展示技术。

噬菌体表面展示技术的原理是从人B淋巴细胞中分离抗体可变区基因,扩增抗体V H 和V L 基因片段,随后将体外扩增的基因片段随机克隆形成组合文库;将基因组合文库噬菌体外膜蛋白融合表达,展示在噬菌体颗粒的表面。最后用固相化抗原直接、高效地筛选出表达特异性好、亲和力强的抗体基因序列,经体外加工形成全人抗体。此种抗体库筛选技术已十分成熟,并在全世界获得广泛运用。由此,抗体工程技术也进入了一个新的发展纪元。当然,爱康得生物在该项技术领域也积累了丰富的经验,欢迎广大客户来电咨询。

鼠抗→嵌合抗体→人源化抗体→全人源抗体
(图片来源自网络,如有侵权,请联系删除。)

小分子抗体的由来

抗体分子可变区组成的Fv段是与抗原结合的结构基础,在Fv段的基础上可以构建具有抗原结合功能的抗体分子片段,也叫作小分子抗体。小分子抗体是制备其他基因工程抗体的前提。

抗原结合片段( Fragment with antigenbinding, Fab)

Fab片段包括重链Fd段(可变区V H 和第一恒定区CH1)和完整轻链,不含Fc段,重链Fd段和轻链间有一个二硫键,形成异二聚体结构。整个Fab分子占完整抗体大小的三分之一,具有一个抗原结合位点。木瓜蛋白酶可以水解全长抗体获得Fab片段。Fab片段结构稳定,具有与完整抗体相似的抗原结合活性,但亲和力较低。Fab片段多用于对肿瘤进行成像诊断,阳性率最高达95%。Fab2抗体片段由两个Fab片段组合而成,可以同时与两个抗原表位结合,在临床尤其是在放射免疫治疗中应用广泛。必须强调的是,目前Fab片段和Fab2片段都有FDA批准的药物上市。

单链抗体( single chain Fv,scFv)

scFv由重链可变区V H 和轻链可变区V L 通过连接肽结合在一起,是含有完整抗原结合部位的最小抗体片段,易于大肠杆菌表达。目前所有成功制备的单链抗体都来源于基因工程手段。由于分子量较小,不仅抗原性较小,而且用于肿瘤治疗时组织穿透能力强,容易进入实体瘤内部;用于体内显像时,因不具备Fc段,所以本底较低,与传统单克隆抗体和Fab片段相比显示出优越性。

抗体片段的改型

纳米抗体(Nanobody)

1993年Hamers等首次报道,骆驼体内有一半抗体天然缺失全长轻链和重链恒定区CH1,这种仅由单独重链可变区的抗体片段,被称为“纳米抗体”,它是最小的功能性抗原结合片段。纳米抗体性质独特,易于进行基因改造,在疾病诊断和靶向治疗等方面具有广阔的前景。

双特异性抗体(Bispecific antibody,BsAb)

双特异性抗体是通过基因工程手段将两个分别靶向不同抗原的抗体片段组合在一起,所以具有两种抗原结合位点,发挥协同作用,进而提高治疗效果。这种结构设计能有效地改善抗体药物在体内的药物代谢动力学过程,增强临床治疗效果。然而,设计出疗效好、稳定性高且利于生产的BsAb仍需深入研究。

抗体到抗体药

抗体研究经历了比较曲折的发展过程。历经20世纪前期的缓慢发展,到1975年单克隆抗体技术问世,受到了相关领域学者们的高度重视,逐渐广泛用于免疫、医学、肿瘤和细胞生物学等领域。第一个应用单克隆抗体治疗是在1982年,Karr将一株抗独特型单抗应用于B细胞淋巴瘤的治疗获得成功,治疗性抗体的研究很快成为生物制药行业的热点。

经过多年的发展,抗体药物已经在恶性肿瘤、自身免疫病等重大疾病的治疗中占据了重要的位置,发展速度令人叹服、是当前生物药中复合增长率最高的一类药物。

那么,抗体药物有哪些类型呢?

首先就是常规抗体药物,也就是多克隆抗体药物,从1890年Behring和北里柴三郎等发现了白喉抗毒素,并建立了血清治疗法,这类抗毒素一直在使用,但临床应用由于药物本身的不均一性导致其受到极大限制。

随着技术的发展,一些新型的抗体药物也不断出现,那么这些新型抗体相较于传统的抗体药物,具有了更高的特异性,包括特异性的结合相关抗原、选择性的杀伤肿瘤靶细胞、明确的动物体内的靶向性分布、针对特定肿瘤会有更高的疗效与明确的临床使用效果。新型抗体药物与常规抗体药物的主体结构特点一致,但有更多的免疫偶联物和融合蛋白的标记,这样增加了抗体药物的靶向性和疗效,而且这样也可以让抗体药物具有了制备定向性,可以根据需要,制备出具有不同治疗作用的抗体药物。

其次是单克隆抗体药物,包括治疗肿瘤的单抗药剂、抗肿瘤单抗偶联物和治疗其他疾病的单抗,这些药物的靶点主要是细胞表面与疾病相关的抗原或特定的受体分子。这里面单克隆抗体药物中的明星利妥昔单抗为例,它通过街道ADCC、CDC和抗体与CD20特异性结合引起的直接效应杀死淋巴瘤细胞,药物的使用可以有效地提高肿瘤细胞对化疗的敏感性,所以利妥昔也常常与其他治疗药物和治疗方式配合使用。在抗肿瘤单抗药物的的设计中,主要由单抗与有治疗作用的物质(包括放射性核素、毒素和药物等)两部分组成。

最后就是基因工程抗体药物,指的是以基因工程技术等高新生物技术为平台,制备的生物药物的总称。用基因工程(多采用人抗体的部分氨基酸序列代替某些鼠源性抗体的序列)经过修饰后制备出抗体,从而降低鼠源抗体的免疫原性和功能。基因工程抗体药物包括嵌合抗体药物,可以有效地减少鼠源性抗体的免疫原性,具有高亲和力;单链抗体药物,抗体重链可变区通过链接肽连接,具有较好的抗原结合力;人源性抗体药物,这类药物的鼠源性占极少量;完全人源化抗体药物,将小鼠Ig基因代之以人Ig基因,在经杂交瘤技术产生大量完全人源化的抗体;双特异性抗体药物,具有两个不同抗原结合位点的抗体。

抗体通过基因工程技术的改造,可以降低甚至消除人体对于抗体的排斥反应,同时,基因工程抗体分子量小,可以部分降低抗体的鼠源性,更加有利于其穿透血管壁,进入病灶的核心部件,基因工程技术,可以使得医生和科学家们根据治疗的需要,制备出新型的抗体,同时基因工程技术主要采用原核细胞、真核细胞和植物等多种表达方式,可以高效大量制备抗体分子,大大的降低了生产成本。

抗体药物行业是近些年发展十分迅猛的行业,1986年,美国FDA批准抗CD3单抗OKT3进入市场,用于器官移植时的抗排斥反应。2005年,被美国FDA批准的药物约为18个,而转眼到了2012年,美国FDA批准的抗体药物就迅速达到了31个,这样的数目是令人十分惊喜的。然而,随着研究的广泛深入,大量的临床试验结果背离了人们的期望,许多单抗在临床应用中屡遭失败,抗体的应用一度陷入低谷。此后,随着分子生物学技术的发展,情况有了很大的改观。

中国在研究治疗性抗体方面也取得了阶段性的成果,有很多试剂抗体或诊断用抗体进入市场。目前,中国抗体药物开发市场正处于高速发展的时期。截止2015年底,批准上市的国产单克隆抗体药物数量仅有10种。国内已经上市的10个国产抗体药物产品中,3个是鼠源型,1个嵌合型和2个人源化单抗,另有4个Fc融合蛋白类药物,而国外市场上人源和全人源化单抗药品约占90%。抗体人源化以及全人源抗体的制备已经成为当今治疗性抗体的发展趋势,同时,各种抗体衍生物也不断涌现,它们从不同角度克服了抗体本身的应用局限,也为治疗人类疾病提供了更多利器。当然,选择合适的抗体研发平台是未来产品上市的保障,爱康得生物在抗体药物研发领域积累了丰富的经验,是您未来抗体药物研发的首选伙伴。


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我国已上市的抗体药

抗体从最初的动物多克隆到现在的全人抗体已经走过了一百多年的历史。随着抗体工程技术的日益壮大,抗体的应用范围也越来越广泛。以抗体为基础的基因治疗也开始成为了新兴的临床治疗手段。以及越来越多的被美国FDA认可的新型抗体药物横空出世。在生物技术日趋发展的今天,以单克隆抗体药物为代表的生物制剂必将成为新药研发的新趋势。


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