重组抗体的类型及生产流程

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重组抗体,是抗体药物从"动物源"走向"人源化"的关键一步。重组抗体,也称为基因工程抗体,是指通过DNA重组技术将抗体相应的基因序列根据需要进行改造和重组,并构建在质粒上,再通过蛋白外源表达技术将构建好的质粒转染/转化入适合的宿主细胞表达获得的抗体。重组抗体很好地解决了动物源抗体引起的人体排斥反应,使得抗体实现人源化,使抗体的效能更为完善。本文系统介绍五类重组抗体的结构特点、生产方式和应用场景,供大家参考。

📋 本文内容速览
  1. 什么是重组抗体
  2. 抗体生产的三个阶段
  3. 重组抗体五大类型总览
  4. 嵌合抗体:动物源V区 + 人源C区
  5. 人源化抗体:CDR嫁接
  6. 全人源化抗体:转基因动物与噬菌体展示
  7. 小分子抗体:Fab、Fv、scFv、纳米抗体
  8. 双特异性抗体:双靶点"抗体炸弹"
  9. 常见问题解答(FAQ)
PART 01什么是重组抗体

重组抗体,也称为基因工程抗体,是指通过 DNA 重组技术将抗体相应的基因序列根据需要进行改造和重组,并构建在质粒上,再通过蛋白外源表达技术将构建好的质粒转染/转化入适合的宿主细胞表达获得的抗体。重组抗体很好地解决了动物源抗体引起的人体排斥反应,使得抗体实现人源化,使抗体的效能更为完善。

核心逻辑:重组抗体的本质是"基因层面的抗体设计"——先在 DNA 层面改造抗体基因序列,再通过宿主细胞表达出改造后的抗体蛋白。这使得抗体的物种来源、结构形式、靶点数量都可以按需设计,突破了传统抗体制备的局限。
PART 02抗体生产的三个阶段

抗体广泛应用于疾病的诊断和治疗,是研究和应用领域最有价值的研究对象之一。抗体制备技术经历了三个阶段。

1
多克隆抗体
抗原免疫高等动物
从血清中纯化获得
2
单克隆抗体
杂交瘤技术
骨髓瘤细胞+B淋巴细胞融合
3
重组抗体
基因工程改造
大规模细胞培养
▲ 抗体生产技术的三个阶段演进
阶段 技术 抗体类型 核心特点
第一阶段 抗原免疫动物 多克隆抗体 从动物血清中纯化,识别多个表位
第二阶段 杂交瘤技术 单克隆抗体 骨髓瘤细胞与B淋巴细胞融合,针对单一抗原决定簇
第三阶段 基因工程改造 重组抗体 改造基因序列,大规模细胞培养,性能按需设计
PART 03重组抗体五大类型总览

重组抗体分为五大类:嵌合抗体、人源化抗体、全人源化抗体、小分子抗体、双特异性抗体。下图用简化的抗体 Y 形结构示意五类抗体的结构差异(色块代表不同物种来源的结构域)。

动物源结构域 人源结构域 CDR 区
嵌合抗体
V区动物源
C区人源
人源化抗体
仅CDR动物源
人源化80-90%
全人源抗体
全部人源
免疫原性极小
小分子抗体
Fab/Fv/scFv
穿透性强
双特异性抗体
双靶点结合
肿瘤治疗"炸弹"
图1 五类重组抗体的结构示意对比(Y 形简化结构)
读图说明:图中每个 Y 形结构代表一个抗体分子。两条"臂"的末端是可变区(V 区),负责识别抗原;下方"柄"是恒定区(C 区)。色块颜色代表结构域来源——红色系为动物源,蓝色系为人源。嵌合抗体保留了完整的动物源 V 区;人源化抗体只保留动物源的 CDR(红色小点);全人源抗体全部为人源;小分子抗体只保留部分结构;双特异性抗体的两条臂分别识别不同抗原。
PART 04嵌合抗体:动物源V区 + 人源C区

抗体的恒定区和可变区分别来源于不同的物种,常见的嵌合抗体是将动物源抗体的可变区与人源抗体的恒定区结合。

动物源 V 区 人源 C 区
图2 嵌合抗体结构:动物源 V 区 + 人源 C 区

嵌合抗体的特点:

1保留抗原特异性和亲和性

抗体可变区为动物源区域,保留了抗体对抗原的特异性和亲和性。

2人源化约70%,降低异源性

抗体有近 70% 的部分是人源的,很大程度上降低了抗体的异源性,其中人源性 Fc 片段能有效介导 ADCC(抗体依赖性细胞介导的细胞毒效应)和 CDC(补体依赖的淋巴细胞毒效应)作用。

3可按需选择抗体类型

可以根据需要选择不同的抗体类型、亚型、大小、修饰位点等。

4可高效大量获得

通过成熟的质粒构建体系及蛋白表达平台,可高效大量地获得目的抗体。

嵌合抗体生产方式
图3 嵌合抗体的生产方式
嵌合抗体的关键价值:嵌合抗体是"人源化"的第一步——它将动物源抗体的抗原识别能力(V 区)与人源抗体的效应功能(C 区)结合,在保留特异性的同时大幅降低免疫原性。约 70% 的人源化比例已经能显著减少人体排斥反应。
PART 05人源化抗体:CDR嫁接

将人抗体的 CDR 区域替换成动物源单抗的 CDR,也称 CDR 嫁接抗体。

CDR:即互补决定区(complementarity-determining regions),抗体每个可变区含有三个氨基酸顺序超变区,这些超变区是抗原的结合位点,与抗原决定簇结构互补,被称为 CDR。可变区里其他氨基酸作为骨架支持部分,称为框架残基(Framework Residue)。

动物源 CDR(抗原结合位点) 人源骨架与恒定区
图4 人源化抗体结构:仅 CDR(红色小点)为动物源

人源化抗体特点:

1人源化比例可达80%-90%

人源化抗体在嵌合抗体的基础上将抗体中人源性区域进一步扩大,人源化比例可达 80%-90%,使得抗体在应用过程中降低人体的异源排斥反应。

2CDR与FR的匹配影响亲和力

CDR 与抗原结合过程受到 FR 区域的影响,动物源 CDR 与人源 FR 结合,可能会改变抗体原有 CDR 的空间结构,进而降低重组抗体与抗原的亲和力。在设计人源化抗体时,可将人源 FR 区域的关键性氨基酸残基更改为动物源 FR,以减少对 CDR 结构域的影响。

人源化抗体生产方式
图5 人源化抗体的生产方式
人源化设计的常见误区:简单地把动物源 CDR 嫁接到人源 FR 上,不一定能得到亲和力相当的抗体。FR 区域的氨基酸残基会通过空间位阻和静电作用影响 CDR 的构象。实际设计中需要"回复突变"——把人源 FR 中少数关键位点改回动物源残基,才能保持原有亲和力。
PART 06全人源化抗体:转基因动物与噬菌体展示

采用基因敲除技术将动物抗体基因敲除,造成动物抗体基因缺失,将人类抗体基因通过转基因或转染色体技术,移至抗体基因缺失动物中,通过动物表达人类抗体,达到抗体完全人源化。

采用动物基因敲除和插入的方式获得抗体,操作难度大,成本高,并且依然存在人体排斥反应,噬菌体展示技术应运而生。将人抗体的可变区基因插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置,人抗体可变区随噬菌体外壳蛋白的表达而表达,同时,随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面。再通过展示库筛选和细胞表达获得全人源抗体。

全部人源结构域
图6 全人源化抗体结构:全部为人源结构域

全人源化抗体特点:

全人源化抗体对人体的免疫原性极小,是抗体药研发最重要的对象,在疾病和癌症的治疗中具备广泛的应用,非常具备研究和生产价值。

全人源化抗体生产方式
图7 全人源化抗体的生产方式
两种生产路径的选择:① 转基因动物——抗体在动物体内完成亲和力成熟,得到的抗体亲和力通常较高,但周期长、成本高、伦理争议大;② 噬菌体展示——体外筛选,周期短、通量高、成本可控,是目前全人源抗体开发的主流技术。实际项目中,两种路径常常结合使用。
PART 07小分子抗体:Fab、Fv、scFv、纳米抗体

小分子抗体顾名思义是分子量较小的抗体,一般为完整 Ig 的一部分,现有的小分子抗体有 Fab、Fv、scFv、SdAb、微抗体、纳米抗体。

抗原结合片段(V区) 恒定区片段
图8 小分子抗体(Fab)结构:仅保留抗原结合片段

小分子抗体特点:

小分子抗体分子量大小只有完整 Ig 大小的 1/12~1/2,穿透性强,同时具备抗原亲和力,并且可通过基因工程系统来操作编辑,通过各种重组蛋白表达系统来大量生产。

类型 全称 结构特点
Fab Fragment antigen-binding 由一条轻链和一条重链的 VH+CH1 组成,保留完整抗原结合能力
Fv Fragment variable 仅由 VH 和 VL 组成,是最小的抗原结合单元
scFv Single-chain variable fragment VH 和 VL 通过柔性连接肽连接成单链,稳定性更好
SdAb Single-domain antibody 仅由单个重链可变区组成
纳米抗体 Nanobody / VHH 来源于骆驼科动物的单域抗体,分子量仅约 15 kDa
小分子抗体类型
图9 小分子抗体的主要类型
小分子抗体生产方式
图10 小分子抗体的生产方式
小分子抗体的应用场景:① 组织穿透——分子量小,能穿透实体瘤等致密组织;② 快速清除——半衰期短,适合需要快速清除的显像诊断;③ 原核表达——部分小分子抗体可在 E. coli 中高效表达,成本低;④ 双功能融合——便于与其他分子(如毒素、酶、纳米颗粒)融合,构建多功能分子。
PART 08双特异性抗体:双靶点"抗体炸弹"

具备两种特异性抗原结合位点的抗体,可同时与两种抗原结合,例如可同时结合靶细胞(癌症细胞)和效应细胞(T 细胞),定向介导效应细胞对靶细胞的杀伤作用,是抗体药物领域的重要研究对象,在肿瘤治疗方面具有卓越的成效。

靶点 A 结合臂 靶点 B 结合臂 恒定区
图11 双特异性抗体结构:两条臂分别结合不同抗原

双特异性抗体特点:

1双靶点结合,导向性更强

拥有两种特异性抗原结合位点,作为抗体药物,是治疗肿瘤的"抗体炸弹",比普通的抗体药具有更强的导向性、更强的治疗效果,是最为理想的肿瘤治疗药物。

2自然状态不存在

自然状态不存在,只能通过人工制备获得。

双特异性抗体生产方式:

类型 技术手段
含 Fc 双特异性抗体 Triomabs
Knobs-into-holes
Crossmab
Two-in-one
不含 Fc 双特异性抗体 BiTE
DART
TandAbs
bi-Nanobody
含 Fc 与不含 Fc 的选择:含 Fc 的双特异性抗体半衰期更长(Fc 可与 FcRn 结合实现循环再利用),但可能带来 Fc 介导的效应功能副作用;不含 Fc 的双特异性抗体分子量小、组织穿透好,但半衰期短,往往需要频繁给药或进行半衰期延长改造。
双特异性抗体的核心挑战:① 链配对——两条不同的重链和两条不同的轻链如何正确配对,避免形成错配产物;② 稳定性——双特异性结构可能不如天然抗体稳定;③ 免疫原性——非天然结构可能引发抗药抗体(ADA)反应;④ 生产工艺——错配产物的分离纯化难度大,影响产量和成本。
PART 09常见问题解答(FAQ)
什么是重组抗体?
重组抗体,也称为基因工程抗体,是指通过DNA重组技术将抗体相应的基因序列根据需要进行改造和重组,并构建在质粒上,再通过蛋白外源表达技术将构建好的质粒转染/转化入适合的宿主细胞表达获得的抗体。重组抗体很好地解决了动物源抗体引起的人体排斥反应,使得抗体实现人源化,使抗体的效能更为完善。
抗体生产经历了哪三个阶段?
抗体制备技术经历了三个阶段:第一阶段,通过抗原免疫高等动物,从动物的血清中纯化获得抗体,该抗体为多克隆抗体;第二阶段,杂交瘤技术问世,通过将无限增殖的骨髓瘤细胞与产生抗体的B淋巴细胞融合生产出针对单一抗原决定簇的单克隆抗体;第三阶段,通过基因工程技术改造动物生产的单克隆抗体的基因序列,使单抗性能更加符合应用需要,并能通过大规模细胞培养获得,该阶段抗体为重组抗体。
重组抗体分为哪五大类型?
重组抗体分为五大类:①嵌合抗体——抗体的恒定区和可变区分别来源于不同的物种,常见的嵌合抗体是将动物源抗体的可变区与人源抗体的恒定区结合;②人源化抗体——将人抗体的CDR区域替换成动物源单抗的CDR,也称CDR嫁接抗体;③全人源化抗体——采用基因敲除技术将动物抗体基因敲除,将人类抗体基因通过转基因或转染色体技术移至抗体基因缺失动物中;④小分子抗体——分子量较小的抗体,一般为完整Ig的一部分,包括Fab、Fv、scFv、SdAb、微抗体、纳米抗体;⑤双特异性抗体——具备两种特异性抗原结合位点的抗体,可同时与两种抗原结合。
嵌合抗体有什么特点?
嵌合抗体的特点包括:①抗体可变区为动物源区域,保留了抗体对抗原的特异性和亲和性;②抗体有近70%的部分是人源的,很大程度上降低了抗体的异源性,其中人源性Fc片段能有效介导ADCC(抗体依赖性细胞介导的细胞毒效应)和CDC(补体依赖的淋巴细胞毒效应)作用;③可以根据需要选择不同的抗体类型、亚型、大小、修饰位点等;④通过成熟的质粒构建体系及蛋白表达平台,可高效大量地获得目的抗体。
人源化抗体与嵌合抗体有什么区别?
嵌合抗体是将动物源抗体的可变区与人源抗体的恒定区结合,人源化比例约70%;人源化抗体是在嵌合抗体的基础上将抗体中人源性区域进一步扩大,只将人抗体的CDR区域替换成动物源单抗的CDR,人源化比例可达80%-90%。CDR即互补决定区,是抗原的结合位点。人源化抗体进一步降低了人体的异源排斥反应,但CDR与抗原结合过程受到FR区域的影响,动物源CDR与人源FR结合可能会改变抗体原有CDR的空间结构,进而降低重组抗体与抗原的亲和力。
全人源化抗体的生产方式有哪些?
全人源化抗体的生产方式包括:①转基因动物——采用基因敲除技术将动物抗体基因敲除,将人类抗体基因通过转基因或转染色体技术移至抗体基因缺失动物中,通过动物表达人类抗体,达到抗体完全人源化,但操作难度大、成本高;②噬菌体展示技术——将人抗体的可变区基因插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置,人抗体可变区随噬菌体外壳蛋白的表达而表达,同时随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面,再通过展示库筛选和细胞表达获得全人源抗体。
小分子抗体有哪些类型和特点?
小分子抗体是分子量较小的抗体,一般为完整Ig的一部分,现有的小分子抗体有Fab、Fv、scFv、SdAb、微抗体、纳米抗体。小分子抗体分子量大小只有完整Ig大小的1/12~1/2,穿透性强,同时具备抗原亲和力,并且可通过基因工程系统来操作编辑,通过各种重组蛋白表达系统来大量生产。
双特异性抗体有什么特点和生产方式?
双特异性抗体具备两种特异性抗原结合位点,可同时与两种抗原结合,例如可同时结合靶细胞(癌症细胞)和效应细胞(T细胞),定向介导效应细胞对靶细胞的杀伤作用。其特点是:①拥有两种特异性抗原结合位点,作为抗体药物是治疗肿瘤的"抗体炸弹",比普通的抗体药具有更强的导向性、更强的治疗效果;②自然状态不存在,只能通过人工制备获得。生产方式分为含Fc双特异性抗体(Triomabs、Knobs-into-holes、Crossmab、Two-in-one)和不含Fc双特异性抗体(BiTE、DART、TandAbs、bi-Nanobody)。

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