人源化抗体研究进展.doc

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人源化抗体研究进展

摘要：

单克隆抗体从问世到现在已广泛应用于临床，经历了一段曲折的发展历程。

其中人源化抗体是一个重要的里程碑，并伴随着一系列重大的技术革新，如PCR技术、抗体库技术、转基因动物等。

抗体技术从最初的嵌合抗体、改型抗体逐渐发展为今天的人源化抗体。

人源化抗体在治疗肿瘤、自身免疫性疾病、器官移植和病毒感染等方面已经显示出独特的优势和良好的应用前景。

本文综述了人源化抗体的构建及其表达系统，在临床上的应用，存在的问题及展望。

关键词：

嵌合抗体，人源化抗体，构建，临床应用

从20世纪70年代英国学者Milstein和德国学者Kohler利用细胞融合技术首次成功地制备出单克隆抗体以来[1]，单克隆抗体在医学、生物学、免疫学等诸多学科中发挥了巨大的作用。

单克隆抗体可用于分析抗原的细微结构及检验抗原抗体未知的结构关系，还可用于分离、纯化特定分子抗原，甚至用于临床疾病的诊断和治疗等。

然而，单克隆抗体技术在临床治疗应用中的进展却很慢，主要原因是目前单克隆抗体大多是鼠源性的，而鼠源性单克隆抗体应用于人体治疗时存在诸多问题：

一是不能有效地激活人体中补体和Fc受体相关的效应系统；二是被人体免疫系统所识别，产生人抗鼠抗体（humanantigenmouseantibody，HAMA）；三是在人体循环系统中被很快清除掉。

因此，在保持对特异性抗原表位高亲和力的基础上进行人源化改造，减少异源抗体的免疫原性，成为单克隆抗体研究的重点[2]。

随着对抗体基因的研究和DNA分子重组技术的应用，通过基因改造获得特异性抗体成为可能。

1989年Huse等首次构建了抗体基因库，从而使抗体的研究从细胞水平进入到分子水平，并推动了第3代抗体—基因工程抗体技术的发展。

至此，抗体的产生技术经历了三个阶段：

经典免疫方法产生的异源多克隆抗体；细胞工程产生的鼠源单克隆抗体及基因工程产生的人源单克隆抗体。

1人源化抗体的构建

人源化抗体就是指抗体的可变区部分（即Vh和Vl区）或抗体全部由人类抗体基因所编码。

人源化抗体可以大大减少异源抗体对人类机体造成的免疫副反应。

人源化抗体的形式也从最初的嵌合抗体、改型抗体等逐步发展为今天的人抗体。

1.1嵌合抗体

抗体分子与大抗原结合特异性由L链和H链V区决定，抗体C区可作为异源蛋白诱发免疫反应，产生抗小鼠抗体（humananti-mouseantibody，HAMA）。

将小鼠单克隆抗体C区用人抗体C区代替而拼接成嵌合抗体（chimericantibody），这样表达的抗体分子中轻重链的V区是异源的，而C区是人源的，这样整个抗体分子的近2/3部分都是人源的。

这样产生的抗体，减少了异源性抗体的免疫原性，同时保留了亲本抗体特异性结合抗原的能力。

嵌合抗体（chimericantibody）属第一代人源化抗体，有60%～70%的人源区域，是目前研究较多也较为成熟的基因工程抗体，人—鼠嵌合抗体基因工程改造策略主要包括：

（1）从鼠杂交瘤中克隆V区基因。

（2）选择合适的人C区基因。

（3）构建载体并在一定表达系统中表达根据嵌合抗体H链和L链基因是否克隆、表达与同一载体与否，可将基因工程嵌合抗体的表达分为共转染表达模式（co-transfectionmodel）和单载体转染表达模式（singlevectortransfectionmodel）。

根据所需达到的功能，人重链的恒定区可为IgA、IgD、IgE、IgG或IgM中的一种。

通常，人源抗体包括嵌合抗体常采用IgG，因其对不同的亚基都合适。

1986年，Jones[3]等用寡核苷酸构建出小鼠抗半抗原——4-羟基-3-硝基苯乙酰基己酸（NP）的免疫球蛋白VH基因，其中编码VH互补决定区（CDR）的序列来自小鼠的单抗，编码构架区（FR）的序列来自与鼠抗NP单抗的FR同源程度较高的人骨髓瘤蛋白，通过人抗NP重链可变区基因（hVHNP）与含有人重链恒定区序列的表达载体连接，并转染到只分泌抗NP轻链的小鼠杂交瘤细胞J558L中，结果获得可特异结合NP的人源化嵌合抗体。

康向东等[4]从分泌抗人甲状腺球蛋白的杂交瘤细胞株hTg-60中提取总RNA，逆转录-酶链聚合反应（RT-PCR）扩增出鼠源性单克隆抗体hTg-60的VH及VL基因，经基因测序分析，设计出人源化抗体的基因引物，获得抗Tg单克隆抗体人源化VH及VL基因并将其克隆入真核表达载体，转染中国仓鼠卵巢细胞（CHO），表达人源化嵌合抗hTg抗体。

成功获得了6株能稳定分泌抗hTg人源化嵌合抗体的细胞株。

1.2CDR移植抗体

尽管嵌合抗体Fc段换成了人源化，但V区保留的鼠源性保守序列仍能诱发HAMA，因此嵌合抗体不能彻底地消除鼠免疫原性，还需进一步对鼠源抗体的V区进行改造。

抗体V区由CDR和骨架区（FR）组成。

CDR是抗体识别和结合抗原的区域，直接决定了抗体的特异性，而骨架区序列及其立体结构较为保守，是嵌合抗体诱发HAMA的主要原因，因此将鼠单克隆抗体CDR移植到人单克隆抗体的V区框架上，使人单克隆抗体获得鼠单克隆抗体结合特异性，并减少异源性。

这样获得的改型抗体也称CDR移植抗体（CDRgraftingantibody）。

然而，抗原虽然主要和抗体的CDR接触，但FR区也常参与作用，影响CDR的空间构型。

因此换成人源FR区后，这种鼠源CDR和人源FR相嵌的V区，可能改变了单抗原有的CDR构型，往往明显降低抗原-抗体反应的亲和力，甚至丧失与抗原结合的能力[5]。

因此解决骨架区对CDR的影响，对CDR序列和框架结构进行分析和加工是十分重要的。

V区CDR移植的设计原则是：

（1）以Kabat的方法为基础选择顶端环状结构序列和紧邻CDR两侧的骨架序列：

（2）对骨架区中影响抗原结合部位的氨基酸残基改为亲本鼠单克隆抗体的残基；（3）对抗体V区氨基酸序列数据库分析，选择与亲本鼠单克隆抗体同源性高的序列；（4）保留V区N末端氨基酸序列，尤其是L链V区N末端序列。

将人改型V区基因与人IgC区基因连接，构成完整的人免疫球蛋白基因即可进行表达。

Couto等[6]首先利用计算机模建和实验探索找到一个最简模板。

以此模板对抗乳腺表皮抗原BA46的抗体Mc3成功地进行了人源化。

由于人源化抗体（嵌合或CDR移植抗体）内还含有10%～30%的鼠源蛋白，因而在临床应用时，或多或少地存在一些免疫排斥反应，没有达到治疗性抗体发展的最终目标——抗体完全人源化。

1.3完全人源化抗体

全人源化抗体是指将人类抗体基因通过转基因或转染色体技术，将人类编码抗体的基因全部转移至基因工程改造的抗体基因缺失动物中，使动物表达人类抗体，达到抗体完全人源化的目的。

目前生产完全人源化抗体的方法主要包括抗体库技术和转基因技术，这2种制备技术竞争至今，孰优孰劣尚未可知[7]。

1.3.1抗体库技术

噬菌体抗体库技术的出现开创了一条简便快捷的基因工程抗体生产路线，为人源化抗体的制备提供了新途径。

噬菌体抗体库（phageantibodylibrary）技术是20世纪90年代初期抗体工程领域的重大研究进展，它结合了噬菌体展示与抗体组合文库技术，把外源的DNA插入噬菌体编码的外壳蛋白pⅢ或pⅧ的基因中，使外源DNA片段对应的表达产物融合在噬菌体外壳蛋白中形成融合蛋白。

此方法包括噬菌体库的产生、结合抗原的展示抗体的筛选、展示有高亲和力抗体的噬菌体扩增、有高亲和力的抗体的分离和定性的具体步骤[8]。

其基本方法是从人外周血淋巴细胞或脾细胞中提取RNA或基因组DNA，设计核苷酸引物，用PCR方法克隆人全套抗体重链及轻链可变区基因组装到噬菌体表达载体内，与噬菌体外壳蛋白基因融合，感染大肠杆菌并使抗体片段表达于噬菌体。

然后利用抗原——抗体特异性结合而筛选出所需要的抗体，并进行克隆性扩增，获得可溶性抗体片段（如Fab、scFV及dsFv等），即噬菌体抗体[9]。

1989年美国Scripps研究所Lerner实验室首次应用噬菌体表面展示技术构建了噬菌体抗体库[10]。

该技术在制备基因工程抗体方面发展迅速，国内外已有人源或鼠源抗HBV、HIV、RSV、TNF、erbB2、gp120等噬菌体抗体的报道。

Vitaliti等[11]利用噬菌体抗体库技术制备了抗血管内皮生长因子（VEGF）的scFv，能明显减慢肿瘤的生长。

何小鹃[12]、朱建高[13]等利用该技术成功构建了大肠癌噬菌体抗体库和鼻咽癌抗独特型抗体库，并从中筛选出全人源抗大肠癌单链抗体和鼻咽癌抗独特型单链抗体。

我国研究者成功地从SARS病毒噬菌体抗体库中筛选出具有中和活性地抗S蛋白Fab片段抗体，体外实验证明其可部分中和SARS病毒活性，能明显延缓细胞病变的过程[14]。

1.3.2转基因技术

全人抗体还可以通过小鼠的基因工程免疫方法获得。

产生一免疫反应的基因工程敲除鼠，然后用杂交瘤技术使小鼠的脾细胞或淋巴细胞与骨髓瘤细胞融合。

通过灭活内源性的小鼠抗体基因，然后引进人源抗体基因片段，当对人源抗体免疫的时候就可以在小鼠体内产生全人抗体分子。

另一种方法是将人抗体基因微位点转入小鼠体内细胞，转染色体小鼠的免疫抗原基因环境和人类非常相似。

还有一种不同的方法是向免疫供体或混合性严重免疫缺陷的小鼠注入人源淋巴细胞，通过抗原免疫使小鼠脾细胞融合骨髓瘤细胞[15]。

转基因小鼠制备的人抗体，其功效优于其他技术生产的抗正常人体蛋白单抗。

小鼠识别抗原和动员抗原的抗体系统仍保持完整，容易把人体蛋白识别为异物。

此外，由于抗体是体内产生的，经历了正常装配和成熟过程，从而保证成品具有较高的靶结合亲和力。

但转基因小鼠也存在一些缺陷，即转基因通常有体细胞突变和其他独特的序列，导致不完整的人序列；而且，由于抗体是在小鼠体内装配，因而产生的单抗具有鼠糖基化的模式，所以这些单抗最终并不是全人源化的。

因此，对人源化抗体的研究主要还是集中在嵌合抗体和CDR移植抗体上。

2人源化抗体的表达

2.1大肠杆菌

细菌是表达无糖基化蛋白的最理想工具，在所有细菌表达系统中，大肠杆菌表达系统被列为首选对象。

但由于受其自身加工能力的限制，大肠杆菌不适合表达完整的抗体分子，大多用来选择性表达Fab或scFv等抗体片段。

2.2酵母

自20世纪80年代初Hitizeman等首次运用酿酒酵母表达了人干扰素基因以来，运用酵母这种单细胞真核生物表达外源基因越来越受到重视，已建成了多种基因表达系统，表达出了多种蛋白质。

巴斯德毕赤酵母表达系统已被证明是既可以用于分泌表达又可以用于细胞内表达外源基因的一个理想的酵母表达系统[16]，多形汉逊酵母是又一个成功的酵母表达系统，已用于表达乙型肝炎表面抗原等[17]，Kulkarni等[18]用它可以开发一种新的低廉的乙肝疫苗。

2.3昆虫

杆状病毒介导的表达系统是目前应用最广泛的昆虫表达系统。

杆状病毒为环状双链DNA病毒，具有严格的宿主专一性。

以含多角体蛋白基因启动子的杆状病毒为载体的外源DNA，能在感染后的昆虫细胞培养基中高效表达。

昆虫细胞表达重组抗体有许多优点，如能进行翻译后修饰，抗体的活性较稳定、产量高、适用性强。

进年来的研究成果显示[17]，杆状病毒表达系统非常适合生产用于临床诊断甚至治疗的抗体片段和完整的抗体。

2.4植物细胞

近年来，人们发现植物细胞中也能表达多种形式的抗体，其中包括表达重组人鼠嵌合抗体。

植物细胞中有着与动物细胞相似的蛋白质合成、分泌、折叠及翻译后修饰途径，只是在蛋白质糖基化上与动物细胞略有差异。

抗体能在植物的叶子和果实中表达，而不丢失其结合的特异性与亲和力[19]。

2.5哺乳动物细胞

与原核细胞、酵母、细菌及昆虫细胞相比，以哺乳动物培养细胞作为宿主细胞，表达的蛋白最接近其天然构象，因而哺乳动物细胞表达系统成为生物工程制药较为理想的表达系统。

在使用哺乳动物培养细胞表达抗体时，在蛋白合成起始信号、加工、分泌糖基化方面具有独特的优势，因此，大多数研究者都采用哺乳动物细胞进行重组抗体的表达。

许多研究结果显示[5]，COS细胞是短暂高效表达人源化抗体较为理想的细胞，一般在几天内即可以装配成功，避免花费不必要的时间去构建稳定的细胞系，从而为快速分析抗体提供了可能。

其中常用的宿主细胞除了瞬时表达大多采用非洲绿猴肾（COS）细胞外，还有骨髓瘤细胞如Sp2/0，主要用于单抗的高水平表达，以及中国仓鼠卵巢（CHO）细胞广泛用于以临床治疗为目的的抗体表达。

目前应用这些细胞已成功表达了多种人源化单抗。

2.6转基因动物

用于抗体规模化生产时，细胞培养的高成本制约了其应用。

利用转基因动物作为生物反应器来生产重组抗体，可以解决这一问题。

利用转基因动物制药具有生产成本低、投资周期短、表达量高、与天然产物完全一致、分离纯化容易的优势，尤其适合于一些使用量大、结构复杂的血液因子，如人血红蛋白、人血清白蛋白、蛋白C、纤维蛋白原和抗体等。

3人源化抗体药物的临床应用

3.1在肿瘤治疗中的作用

单抗药物抗肿瘤能有效地降低传统肿瘤药物治疗的不良反应。

这些人源化单克隆抗体的研制主要是针对那些与肿瘤发生、发展相关的靶分子。

Herceptin（trastuzumab）由Genentech公司生产，商品名为赫塞汀，是1998年9月被FDA批准上市的人源化IgG1单抗，用于治疗转移性乳腺癌，其靶向抗原为人类表皮生长因子受体-2（HER-2）。

HER-2在多种慢性肿瘤细胞中高表达，包括25%～35%的乳腺癌[20]。

Colomer[21]等的研究表明，HER-2在乳腺癌细胞表面的过表达与细胞的恶性程度相关，使其成为抗体药物的靶点。

体内外试验已证明，Herceptin还对高表达HER-2抗原的胰腺癌细胞有抑制生长作用，Bucbler[22]等报道，Herceptin还可用于胰腺癌的治疗。

Mylotarg（gemtuzumabozogamicin）由WyethAyerst公司生产，是人源化抗CD33单抗与肿瘤抗生素刺孢霉素（calicheamicin）的偶联物，2005年被FDA批准上市[23]。

3.2自身免疫性疾病的治疗

自身免疫疾病多与自身抗体异常增多有关。

很多临床研究发现，一些具有免疫疾病的病毒感染患者，体内病毒水平常伴随某些免疫分子水平的升高而升高，因此很多免疫分子的人源化抗体在此类病毒的治疗中也显示出很好的效果。

对携带HIV的复发性Castelmans（非何杰金淋巴瘤）患者，应用抗CD20的人鼠嵌合抗体RituximAb进行治疗，可以在一定程度上缓解病人的淋巴系统增殖紊乱症状，并显著降低了病人体内的HIV病毒量[24]。

3.3在器官移植中的作用

1997年12月美国FDA批准Zenapax（daclizumab，Roche公司生产）上市。

这是靶向CD25抗原（Tac，T细胞活化抗原，p55，IL-2受体的a链，IL-2Ra）的人源化单抗，是第1个无严重不良反应的免疫抑制剂[20]，适应症为预防无高度免疫的同种异体肾移植患者的器官排斥反应，与包括环孢素和皮质类固醇的免疫抑制剂方案合用；2002年7月获批准上市，其临床适应症扩展至儿科患者。

本品能通过抑制IL-2与其受体的结合而阻断IL-2信号通路，从而阻断免疫反应的发生。

3.4在治疗心血管疾病方面的应用

心血管疾病是危害人类健康的常见疾病，其发病率多年来一直位居人类疾病之首。

血小板在血栓形成，特别是在动脉血栓形成过程中起重要作用。

vWF在介导血小板黏附、聚集中发挥重要作用，针对vWF功能结构域（A1、A3）的单克隆抗体亦显著抑制血栓形成。

Kageyama等在犬冠状动脉血栓形成模型中应用人源化抗vWF2A1单克隆抗体AJW200发现它可以阻断vWF与GPIb的结合，抑制高剪切力诱导的血小板黏附和聚集[9]。

3.5在抗病毒感染方面的应用

1998年，FDA批准靶向呼吸道合胞病毒（RSV）F蛋白A抗原表位的Synagis（palivizumab，MedImmune公司生产）用于治疗婴幼儿严重下呼吸道合胞病毒感染。

2003年6月，FDA最新批准Xolair（omalizumab，Genentech公司生产）上市，它是靶向肥大细胞与嗜碱粒细胞表面IgE受体的人源化单抗，可以阻断IgE与其受体的结合从而限制过敏反应介质的释放程度，用于治疗成人及12岁以上青春期中、重度哮喘患者。

目前人源化抗体应用于在急性呼吸系统综合征（SARS）相关冠状病毒、流行性出血热、免疫缺陷病毒（HIV）、呼吸道合胞病毒（RSV）、埃博拉病毒、朊病毒等病毒感染方面均有报道[23]。

4存在问题及展望

目前，治疗肿瘤和其他疾病的人源化单抗药物需要多次重复应用，并且应用剂量较大。

例如，抗VEGF的人源化抗体的单个患者每疗程要重复应用13次以上，总剂量超过2g；Herceptin每疗程应用6次以上，总剂量超过0.8g。

各类人源化抗体药物作为重组抗体，仍可能存在一定的免疫原性，对于需重复应用10次以上的抗体药物来说，最安全的还是序列完全源于人的全人抗体[21]。

利用免疫细胞缺乏的鼠或转基因鼠获得的人源化单抗都需要非常繁琐的步骤，尤其是后者，虽然目前能对抗体进行分子设计，但是人源化抗体往往达不到原来鼠单抗的结合能力。

在近年美国FDA批准的新药中，已有100多种人源化单抗进行了临床试验，其中数十种抗体相关新药得到了应用[6]。

全人抗体是治疗性抗体的发展趋势，目前生产全人抗体的方法已达到比较成熟的阶段。

它不仅具有较长的半衰期，低免疫原性，还能与天然效应因子相互作用，因此将更广泛的被应用于一系列免疫、感染和病毒性等疾病。

相信随着分子生物学技术的发展，尤其是鼠抗体人源化技术、抗体库技术、转基因技术的迅速发展，以及对疾病的机理不断深入研究，人源化单抗在临床应用中将会更加广泛。

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