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知识分享 | IgG型抗体Fc工程化改造策略
2021-03-12 访问次数:604
       自1975年第一代单克隆抗体制备成功以来,治疗性抗体药物发展迅速,逐渐成为近年来对抗癌症、病毒感染以及免疫性疾病的有效途径之一。在治疗性抗体的开发研究中,其抗体通常有两种方法对靶细胞起到杀伤或诱导其死亡的作用,一种是依赖抗体中的Fab片段特异性的识别靶细胞表面的相关抗原,对其抗原的相关信号通路进行调控干扰,另一种则是通过抗体的Fc区域与免疫细胞表面的Fc gamma受体(FcγR)或其他配体结合后所产生的相关作用来进一步提高该抗体的治疗效果,针对Fc片段的改造工程现在已成为提高抗体疗效的热点之一。本文将对IgG型抗体的Fc区域的作用机理及Fc改造工程的改造策略及应用等进行介绍。
一、IgG型抗体Fc端与FcγR及补体的相互作用
       Fc端可以与FcγR及补体蛋白C1q结合介导一些细胞杀伤作用。FcγRs作为免疫应答的调控因子之一,对B细胞激活、树突细胞成熟及包括抗体依赖细胞介导的细胞吞噬作用(ADCP)、抗体依赖细胞介导的杀伤作用(ADCC)在内的一些其他效应反应都起到重要的作用,而IgG-Fc与C1q的结合可以启动补体级联蛋白的组装从而引起补体介导的细胞毒性作用(CDC)。因此,Fc与二者的结合力强弱是Fc改造工程的重点之一。人源的FcγRs可大致分为FcγRI(CD64)、FcγRIIa(CD32a)、FcγRIIb(CD32a)、FcγRIIIa(CD16a)及FcγRIIIb(CD16b)几种不同的类型,其中FcγRIIb一般在免疫调控中起抑制作用,其他的均对免疫作用起激活作用。这些受体广泛表达于单核细胞、巨噬细胞、树突细胞、B细胞、天然杀伤细胞(NK)等大部分免疫细胞中,介导与IgG的Fc结合。每一受体与不同亚型的IgG抗体的结合能力也不尽相同(见图1),IgG-Fc与FcγIIa、FcγRIIIa及FcγIIIb的亲和力强弱对抗体介导的ADCC/ADCP作用往往起到关键性作用,这很大程度上影响了抗体免疫治疗的有效性及副作用大小。目前,为了增强抗体Fc端功能,大部分治疗性抗体多为 IgG1或IgG3这两种亚型,其中因IgG1具有更强的稳定性及较长的半衰期,所以IgG1型占多数。
       FcγRs是高度多态性的,这种多态性对其与IgG分子的结合能力也有很大影响,这一定程度影响抗体的临床效果。以FcγRIIa及FcγRIIIa为例,FcγRIIaH131对IgG2型抗体的结合力明显优于FcγRIIaR131,而FcγRIIIa158V相较于FcγRIIIaF158对IgG1及IgG3抗体有较高的亲和力。这一现象也一定程度指导了许多Fc端具有功能性的抗体的临床研究。

 · 图1 ·   FcγRs与四种不同亚型IgG的亲和力对比(文献2)
       除此之外,IgG-Fc还会与补体蛋白C1q结合从而介导补体依赖的细胞毒作用(CDC),与IgG-Fc和FcγR的结合类似,IgG1及IgG3型抗体介导的CDC作用较为明显。
二、提高Fc功能性的主要抗体改造形式
       通过IgG-Fc与FcγR及C1q之间相互作用的进一步了解,针对通过改变他们之间的关系从而增强Fc功能的一些Fc改造策略逐渐涌现出来,下面会简略介绍几个目前较为主流的Fc改造策略。
       2.1 糖工程学
       IgG抗体铰链区及Fc的CH2区往往可以决定Fc的空间构象,空间构象的改变一定程度可以影响到Fc区域与其相关受体结合的强弱。CH2中存在天冬氨酸297(N297)的糖基化修饰位点,这一修饰位点常携带多个聚糖以此来维持CH2的稳定性及行驶其动力学功能。这些聚糖通常包括核心部分N-乙酰基葡糖(GlcNAc)及甘露糖、同时伴随一些半乳糖、平分GlcNAc、岩藻糖及唾液酸组成不同糖型。通过对Fc端聚糖的组成部分进行优化改动,能够有效地提升Fc的功能性。
       目前对Fc区域进行的糖工程学相关改造大多聚集在加强Fc与FcγRIIIa的亲和力上。针对岩藻糖改造的研究较多且得到了比较理想的结果,岩藻糖的去除能够增加IgG-Fc与FcγRa Asn162的结合来进一步提升Fc端对FcγRIIIa的亲和力并且提高ADCC/ADCP作用。目前Fc区域的半乳糖苷化及唾液酸苷化是否能够明显加强ADCC作用争论较大,其结果也经常差异巨大。有研究认为Fc端的半乳糖苷化似乎可以通过增强Fc与C1q的结合能力来加强CDC作用,而Fc的去岩藻糖化似乎对CDC作用的影响相对不大。糖工程化改造上比较有代表性的如obinutuzumab(Anti-CD20)和的mogamulizumab(Anti-CCR4)目前均已获批上市,较同靶点抗体其效果也被证明有明显提高。也有很多公司将自己的抗体药物进行相关改造并取得了不错的成绩。(表1)
       近些年主流生产抗体的方式是通过哺乳动物细胞表达得到的,工业上较为常见的表达体系有如中国仓鼠细胞(CHO)、小鼠骨髓瘤细胞(NS0)及小鼠杂交瘤细胞(Sp2/0)等,临床前研究上一些人源的表达体系如人胚肾细胞(HEK293)也常用于抗体的表达。由于糖基化相对复杂的过程,其在细胞培养中往往无法完全控制,因此去岩藻糖抗体的生产往往需要对常规哺乳动物表达系统进行改进,常见的如通过敲除CHO细胞中岩藻糖转移酶基因(Fut8)或使CHO细胞表达N-乙酰氨基葡萄糖转移酶III得到能够表达去岩藻糖抗体的稳定细胞系,目前已有一些相对成熟的技术已被商业化(表2)。
 · 表1 ·   Fc区糖工程改造实例(文献3)

 · 表2 ·   目前一些主流商业化糖工程改造技术(文献3)

       2.2 定点突变
       与通过改变糖基化的Fc改造策略的目的相同,通过定点突变的方式同样可以一定程度提升Fc区域与其受体的亲和力。一些突变组合如S298A/E33A/K334A、S293D/1332E、F243L/R292P/Y300L/V305I/P396等都已被证明可以显著提升Fc与FcγRIIIa的结合力并进一步提高ADCC/ADCP作用。而像K326W/E333S及S267E/H268E/S324T这两种突变组合则被证明出可以增强Fc与C1q的亲和力。
 · 表3 ·   一些临床及临床前研究性抗体Fc区域所进行的突变组合实例(文献4)

       随着越来越多的抗体药物进入临床甚至上市,十几家公司共同研发同靶点药物的现象不在少数,Fc工程化改造在能够提升抗体药效的同时也为目前抗体研发提供了更多百花齐放的机会。相信在不久的将来随着已有技术的成熟和更多新技术的涌现,抗体治疗能够在人类医疗事业发展上涂抹更加浓重的一笔。
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参考文献:
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.(主要参考文献)
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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