第十三章基因工程抗体
基因工程抗体
基因工程抗体及其进展【摘要】着对分子生物学研究和抗体分子结构功能的深入研究,利用细胞工程和遗传工程对抗体分子进行改建并赋予其新的功能,进而开发了新的抗体应用领域,使单克隆抗体技术又向前发展了一步。
基因工程抗体是按人类设计所重新组装的新型抗体分子,可保留或增加天然抗体的特异性和主要生物学活性,去除或减少无关结构,从而可克服单克隆抗体在临床应用方面的缺陷。
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。
抗体产生的技术革命为抗体治疗开辟了广阔的前景。
【关键字词】基因工程抗体人源化抗体小分子抗体广阔的前景基因工程抗体以其独特的优点(免疫原性低、可按人的意愿加以改造等) 正逐渐取代动物源性单抗。
随着基因工程和蛋白质工程等生物技术在抗体研制领域的广泛应用, 适应不同需要的基因工程抗体的种类日趋多样化, 构建日趋合理化, 在体内的生物学效应也日臻完善, 使之较天然单抗的治疗效果更好, 范围更广, 并在初步临床试用中展示了光辉的前景。
分子生物学技术的发展，推动了免疫球蛋白遗传学的研究。
抗体的研究从原来的血清学方法、氨基酸水平分析发展到大免疫球蛋白基因结构、表达及调控DNA水平的研究，揭示了抗体多样性、等位基因排斥现象、抗体的分泌型和膜结合型形式、H链类别转换以及亲和力成熟机制等多种生物学现象。
自1975年Milstein和kÖhler等人研制出单克隆抗体以来，抗体技术得到了广泛的应用和发展，但在生物研究和临床疾病的治疗中却遇到了一定的困难。
异源性鼠抗体在人体内诱生免疫应答，产生抗小鼠抗体；人单克隆杂交瘤制备困难，生产量少，稳定性差；获得特异性类别抗体比较困难。
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。
《基因工程抗体》PPT课件
早期的改型抗体：
简单的CDR移植，通过点突变进行微 调即更换某个位点上的氨基酸。
理想的抗体药物的性质
高特异性和高亲和力（Kd=108~1010L/M） 对人没有免疫原性，不诱导机体对抗体的排 斥反应 游离抗体不激活补体 一旦结合到靶抗原上，能诱导效应功能 细胞系稳定，适合在无血清培养基中进行 大规模培养 抗体符合生物制品标准
抗体治疗存在的问题及对策
问题
对策
异源蛋白导致产生抗抗体，• 抗体人源化 影响靶向性和效果
2 开创人类抗体基因组学的研究 评 价：1 诺贝尔奖得主Dr Milstein 推荐发表在
PNAS 2 世界权威杂志“科学”发表了新闻评述 3 剑桥大学开了新闻发布会
未来单抗开发的完美方案
从已知治疗靶子生产高亲和力全人抗体 全人抗体挑战靶分子的筛选 开发未知抗原的治疗用抗体
已批准上市的单抗
适用病症 移植排斥 大肠癌 冠心病
AbAg是应用基因工程技术，把编码蛋白 质抗原表位的核苷酸片段插入重链CDR3序列 中进行表达，从而产生具有天然抗原表位构 象和免疫原性的新型抗体。
今后抗体药物发展的方向
寻找新的靶抗原 基于抗原立体结构设计抗体 基于抗原-抗体相互作用设计小分子抗 体模拟物
最理想的单克隆抗体 100%人源 人类免疫系统自然产生
功能：具有较好的抗原结合能 力，且分子量小、穿透力强、免 疫原性低等特性。可与其他效应 分子构建成多种具有新功能的抗 体分子，是构建免疫毒素和双特 异抗体等的理想而基本的元件 。
基因工程抗体PPT课件
cover illustration Antibody single-chain fragment stability-engineered by point mutations (A) and by a CDR-graft to the most stable human consensus framework (B). Insufficient thermodynamic stability can limit the use of particular antibody fragments as targeting moieties in therapeutic constructs, such as e.g. immunotoxins or immunoliposomes. This limitation can be overcome by a graft of the antigen combining site to a more stable antibody framework. However, such grafts sometimes fail to reach the superior stability of the acceptor framework. Comparison with the stabilization obtained with a set of designed point mutations shows that this is not always due to destabilizing interactions within the complementary determining regions, but to subtle structural differences between different classes of antibody frameworks that introduce strain in CDR grafts to divergent frameworks. For further details please see Kügler et al. (pp.135–148) and Honegger et al. (pp. 121–134).
《基因工程抗体》PPT课件
（三）单链抗体（single-chain antibody
） • 又称FV分子。
• 目的：基因工程手段构建更小的具有结合抗原能力的抗体片段，即FV分子或单链抗体 蛋白。
• 本质：是由VL区氨基酸序列与VH区氨基酸序列经肽连接物（linker）连接而成。此外肽 连接物还可将药物、毒素或同位素与单链抗体蛋白相融合。
优点
• 这类抗体具有分子量小，作为外源性蛋白的免疫原性较低；在血清中比完整的单 克隆抗体或F(ab)2片段能更快地被清除；无Fc片段，体内应用时可避免非特异性 杀伤；能进入实体瘤周围的微循理：可将抗体分子的部分片段（如V区或C区）连接到与抗体无关的序列上（如 毒素），就可创造出一些Ig相关分子
• 催化抗体制备技术的开发预示着可以人为生产适应各种用途的，特别是自然界不存在 的高效催化剂，对生物学、化学和医药等多种学科有重要的理论意义和实用价值。
（二）催化抗体的制备
• 催化抗体（抗体酶）技术是化学和免疫生物学的研究成果在分子水平交叉渗透的产物 ，是将抗体的极其多样性和酶分子的巨大催化能力结合在一起的蛋白质分子设计的新 方法，故而显示出较高的理论和实用价值，成为酶工程领域中的研究热点。
2. 导入骨髓瘤细胞，使之表达嵌合重链 3. 再将小鼠杂交瘤细胞的Ig VL基因与人的CL基因相连 4. 转染含嵌合重链的小鼠骨髓瘤细胞 5. 筛选分泌鼠－人嵌合抗体的骨髓瘤细胞
所分泌的嵌合抗体与原杂交瘤细胞分 泌的抗体特异性和亲和力相同，但减 少了抗体中的鼠源性成分
（二）重构抗体（reshaping anti body）
基因工程抗体
（genetic engineering antibody）
• 随着DNA重组技术以及其它分子生物学技术的发展，人们利用基因工程技术来制备抗体 分子，这种抗体分子称为基因工程抗体，这是分子水平的抗体。
基因工程抗体
（三）双链抗体（diabody)及三链抗体 （triabody)
通过缩短scFv的接头，使两个单链抗体分子间互 相形成VH和VL配对，以非共价键结合在一起形成二 聚体，从而构建出的双价小分子抗体。
如果将两个不同特异性的单链抗体分子的VH和VL 交叉组合构建两个杂合的单链抗体基因，重组到同 一表达载体中，则可在大肠杆菌中表达出双特异双 链抗体。
• 细胞内抗体的应用 表型敲除：在细胞内表达特定抗体分子阻断某 内源蛋白的活性，可用研究靶蛋白的生物学功 能。 基因治疗：通过细胞内抗体对某些蛋白功能的 干扰也可达到基因治疗的目的，如利用癌基因 的细胞内抗体为抗肿瘤的基因治疗提供了一个 新的途径。 目前抗HIV gp120（外壳蛋白）的Fab段和抗Tat （调节蛋白）的scFv已进入临床试用。
• 缺点 有时ScFv比其亲本抗体的亲和力明显降
低，并常常显示聚集倾向，尤其在37度
时稳定性较差，这与轻重链可变区由作
用力较弱的非共价键连接在一起有关。
四、dsFv
• 在VH和VL之间导入了一个链间二硫键，构 建了disulfide-stabilized Fv, dsFv。 二硫键可设计在CDR也可在骨架区。由于 CDR涉及抗原结合，需了解Fv段的立体结构 才能确定正确的引入二硫键的部位。在远 离CDR的结构较保守的骨架区设计二硫键， 具备通用性。
创新的癌症免疫疗法——BiTE抗体技。
• 今年9月，安进向FDA提交首个BiTE疗法blinatumomab上市 申请。
• FDA日前表示，已接受审查BiTE免疫疗法blinatumomab生物
制品许可申请（BLA），同时已授予该药优先审查资格。 • 此前，FDA和EMA均已授予该药孤儿药地位，FDA还授予该 药突破性疗法认定。
基因工程抗体和抗体工程
2023-10-30contents •基因工程抗体概述•基因工程抗体技术•抗体工程技术•基因工程抗体和抗体工程的应用•未来展望与挑战目录01基因工程抗体概述基因工程抗体是指通过基因工程技术对抗体基因进行改造或合成，以产生具有特定性能的抗体分子。
基因工程抗体是通过操作DNA分子层面，根据需求对抗体基因进行各种形式的改造，如插入、敲除或突变等，以获得具有特定性能或去除不良特性的抗体。
基因工程抗体的定义基因工程抗体的种类将鼠源性抗体的人源化改造，使其具有人抗体的亲和性和特异性，同时降低鼠源性抗体的免疫原性。
人源化抗体单克隆抗体双特异性抗体突变体抗体通过杂交瘤技术，将鼠源性的B细胞和骨髓瘤细胞融合，产生的杂交瘤细胞能产生单一抗体的克隆。
具有识别两种不同抗原表位的抗体，通常用于肿瘤免疫治疗和自身免疫性疾病的治疗。
通过基因突变技术，改造抗体分子的结合位点，以获得更强的亲和力、更高的稳定性或降低免疫原性。
基因工程抗体可以用于肿瘤免疫治疗，如靶向肿瘤细胞的抗体-药物偶联物(ADC)，通过将细胞毒性药物偶联到抗体上，实现定向杀伤肿瘤细胞。
肿瘤免疫治疗基因工程抗体可以用于治疗自身免疫性疾病，如类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮等，通过抑制或调节免疫反应达到治疗目的。
自身免疫性疾病治疗基因工程抗体可以作为疫苗的一部分，通过刺激机体产生特异性抗体来增强免疫力。
疫苗开发基因工程抗体的应用02基因工程抗体技术从免疫原刺激的B细胞中提取抗体基因，包括重链和轻链可变区基因。
抗体基因的获取将抗体基因与适当的载体连接，构建成表达载体。
载体构建将表达载体导入合适的宿主细胞，如细菌、酵母或哺乳动物细胞系。
转化宿主细胞在宿主细胞中表达抗体，通常以融合蛋白的形式存在。
抗体表达抗体基因的克隆和表达抗体库的建立和筛选抗体筛选通过亲和力、特异性等指标筛选出高亲和力和高特异性的抗体。
抗体库的建立通过PCR扩增抗体基因，构建成多样性抗体库。
B细胞克隆从免疫动物的脾脏或淋巴结中提取B细胞，并克隆化。
基因工程抗体
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也 许还有可
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吞 噬被结 合 的 抗 原
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人 源化 例如
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嵌合抗 体 重组 单链抗
一 :
产生 补体依赖的细 胆毒性
① 鼠 人嵌合 抗 体
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小皿或大 鼠单抗可 变 区转入人抗体分子 中
②置换抗
体分子 中的 某个 片段
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例如
,
将 与诊断和治疗作用 抗
它 由二 条轻链 与二
链 间或环 形折昼 ( 也 称 发 卡 结
一
构 ) 均 由二硫 键 ( 图 1 中
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一
者 ) 共价结合 而 相 连
.
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免疫 球蛋 白分子 结 构的稳定性 依靠氢键保持
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疫球蛋 白分子 含有一个可变 区 ( 简称 V 区 ) 和 3 ~ 4个 恒 定区 ( 简 称 c 区 ) 可 变 区 与恒定 区 都具有 一 定 功 能
C HI
、
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分 别命 名 为
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CL
、
重 要作用 和 广 阔 的应 用前景 湿病
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但是
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,
目前用 于 治疗风
、
CH
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基因工程抗体1PPT课件
靶部位摄取的量太低
• 改变抗体分子大小
效应功能弱
• 连接毒素、放射性 同位素、药物
在体内被清除速度快
• 抗体人源化
抗体药物改造的方向
抗体人源化和人源抗体制备 改变抗体分子大小 增强抗体亲和力 增强抗体效应功能
单克隆抗体人源化的改进
鼠抗体人源化（人-鼠嵌合、改型抗体） 小分子抗体（Fab、单链、单域、超变区
特点：减少了鼠源性抗体的免疫原 性，同时保留了亲本抗体特异性结合 抗原的能力。
人-鼠嵌合抗体基因工程改造策略
启动子
Pr 鼠VH 人 CH
Pr 鼠VL 人 CL
免疫球蛋白 基因载体的构建
H链嵌合载体
L 链嵌合载体
共转染细胞
10
抗体分泌细胞
鼠VH
鼠V L
人CL 人CH
人-鼠嵌合基因工程抗体
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第二代的抗体人源化——改型抗体
2
理想的抗体药物的性质
高特异性和高亲和力（Kd=108~1010L/M） 对人没有免疫原性，不诱导机体对抗体的排 斥反应 游离抗体不激活补体 一旦结合到靶抗原上，能诱导效应功能 细胞系稳定，适合在无血清培养基中进行 大规模培养 抗体符合生物制品标准
抗体治疗存在的问题及对策
问题
对策
异源蛋白导致产生抗抗体，• 抗体人源化 影响靶向性和效果
抗原化抗体、免疫脂质体) 抗体融合蛋白 （免疫粘连素、免疫毒素、催
化抗体）
VH和VL是抗原决定簇结 合位点 高变区 HVR
决定簇互补区CDR 骨架区FR CH1和CL：Ig同种异型 的遗传标志 CH2：补体结合位点 CH3：某些细胞Fc受体 结合部位
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第一代的抗体人源化—嵌合抗体
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第十三章基因工程抗体抗体研究的世代•第一代多克隆抗体•第二代单克隆抗体•第三代基因工程抗体一.多克隆抗体（polyclonal antibody）：指由不同B细胞克隆产生的针对抗原物质中多种抗原决定簇的多种抗体混合物。
如:免疫血清（含多种特异性抗体）。
实际意义：（1）预防、治疗感染性疾病如：破伤风抗毒素血清→抗破伤风胎盘球蛋白→抗病毒感染（2）临床诊断，缺点：特异性差。
二.单克隆抗体（monoclonal antibody,McAb）由单一克隆B细胞杂交瘤产生的，只识别抗原分子某一特定抗原决定簇的特异性抗体。
特点：具有高度均一性。
杂交瘤细胞：骨髓瘤细胞无限增殖；免疫B细胞合成、分泌特异性抗体。
鼠源单抗临床应用的障碍•血清半衰期短，20h•抗原抗体结合力、亲和力不够•HAMA反应：8－10天出现，20－30天高峰，anti-id封闭与抗原结合位点，抗鼠抗体加速单抗清除。
•过敏休克影响单抗与靶细胞或抗原结合引起变态反应和器官损害HAMA反应的示意图基因工程抗体单克隆抗体在诊断和治疗中具有重要的作用。
但是鼠源性的单抗用于临床治疗易产生人抗鼠抗体（Human anti-Mouse Antibody,HAMA)。
利用基因工程技术，对抗体进行改造，减少鼠源性的成分，增加人源化的成分。
利于单抗的临床应用。
第二节鼠单抗的人源化1.人鼠嵌合抗体：鼠单抗的可变区序列＋人抗体恒定区序列2.利用计算机辅助设计，通过定点突变，改变可变区的氨基酸，减少鼠源性。
1 人一鼠嵌合抗体(Chimeric Antibodies)人一鼠嵌合抗体是将鼠源单抗的可变区与人抗体的恒定区融合而得到的抗体。
构建嵌合抗体的大致过程是，将鼠源单抗的可变区基因克隆出来，连到包含有人抗体恒定区基因及表达所需的其它元件(如启动子、增强子、选择标记等)的表达载体上，在哺乳动物细胞(如骨髓瘤细胞、CHO细胞)中表达。
构建重组表达载体2 鼠单抗可变区的人源化尽管嵌合抗体的免疫原性已降低很多，但有时它仍可能引发较强的免疫反应。
为了进一步降低抗体的鼠源成分，发展出CDR移植技术。
CDR移植即把鼠抗体的CDR序列移植到人抗体的可变区内，所得到的抗体称CDR移植抗体或改型抗体，也就是人源化抗体。
经过CDR移植，抗体的免疫原性极低，而其抗原结合能力保持不变，结合半抗原及全抗原(如细胞表面受体、病毒等)的改形抗体都已有报道，到现在已有数百种人源化抗体。
（美国正式上市的11种治疗性单抗中多数是改型抗体）•2002年完全人源化单抗humira获得批准上市，这是单克隆抗体药物发展具有里程碑意义的大事，预示着单克隆抗体药物一个迅猛发展的新时代的来临。
Humira是Abbott/CAT公司开发的一种治疗类风湿关节炎的单克隆抗体药物。
第三节小分子抗体和抗体融合蛋白1.小分子抗体：改造基因，截取具有生物活性的区段，加以重组表达。
2.融合蛋白抗体：抗体的部分基因片段＋其他蛋白的基因。
其他蛋白如蓖麻蛋白或绿脓杆菌外毒素等。
抗体药物销售趋势图治疗型单克隆体－基因时代明星• 2007年4月3日•国内单抗药物发展迅速，上市的单抗药物有11个，其中我国自行开发的有6个，处于临床研究阶段的有5个。
已批准上市的单抗适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段移植排斥大肠癌冠心病淋巴瘤移植排斥炎症性肠病、类风湿CD317-1A血小板受体ⅡbⅢaCD20CD25TNF-аOKT3PanorexReoProRituxanSimulectRemicade鼠单抗鼠单抗人－鼠嵌合抗体人－鼠嵌合抗体人－鼠嵌合抗体人－鼠嵌合抗体19861995(德国)1994199719981998、1999适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段移植排斥乳腺癌RVS感染AMLCLL CD25HER-2RSV F蛋白CD33CD52ZanapaxHerceptinSynagisMylotargCAMPATH人源化抗体人源化抗体人源化抗体人源化抗体－化疗药物交联物人源化抗体19971998199820002001正在进行临床开发中的基因工程抗体适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段银屑病IL－8CD11a(IgG1)ICAM-3CD80CD2CD3ABX－IL8Anti-CD11aICM3IDEC-114MEDI-507Smart anti-CD3Human(人源)Humanized(人源化)HumanizedPrimatizedHumanizedHumanized(IgG)ⅡⅠ，Ⅱ临床前ⅠⅠⅠ/Ⅱ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段风湿性关节炎Complement(C5)TNF-аTNF-аTNF-аCD4CD45G1.1D2E7CDP870InfliximabIDEC-151MDX-CD4HumanizedHumanHumanized( Fab)Chimeric(IgG1)(嵌合)Primatized(IgG1)Human (IgG)ⅡⅢⅡFDA批准（1999）ⅡⅠ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段克罗恩病，节段性回肠炎溃疡性结肠炎自身免疫病TNF-аTNF-аа4ß7CD4CD3InfliximabCDP571LDP－02OrthoCloneOKT4ASmartanti-CD3Chimeric(IgG1)Humanized(IgG4)HumanizedHumanized(IgG)HumanizedFDA批准（1998）ⅡⅡⅡⅠ/Ⅱ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段系统性红斑狼疮多发性硬化症C5CD40LCD40LComplement(C5)VLA-4CD40L5G1.1AntovaIDEC-1315G1.1MEDI-507AntegrenIDEC-131HumanizedHumanized(IgG)HumanizedHumanized(IgG)Humanized(IgG)HumanizedⅠⅡ(继续)ⅡⅠ/ⅡⅡⅡ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段自身免疫出血性病症气喘/变态反应CD64(FcgR)IL-5IL-5IL-4IgECD23MDX-33SCH55700SB-240563SB-240683rhuMab-E25IDEC-152HumanHumanized(IgG4)HumanizedHumanizedHumanized(IgG1)PrimmatizedⅡⅡⅡⅡⅢⅠ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段移植物抗宿主疾病同种异体移植排斥CD147CD2CD2CD3CD3ABX-CBLBTI-322MEDI－507Orthoclone/OKT3SMAT anti-CD3Murine(IgM)(小鼠)Rat(IgG)(大鼠)HumanizedMurine(Ig2a)HumanizedⅢⅡⅠ/ⅡFDA批准（1996）Ⅰ/Ⅱ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段同种异体移植排斥CD25CD25ß2-integrinCD4CD147ZenapaxSimulectLDP-01OKT4AABX-CBLHumanized(IgG1)Chimeric(IgG1)Humanized(IgG)Humanized(IgG)Murine(IgM)FDA批准（1997）FDA批准（1998）Ⅰ/Ⅱ аⅡⅢ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段同种异体移植排斥中风青光眼抗凝血剂CD40LCD18ß2-integrinTGF－ß2Fact ⅦAntovaAnti-LFA-1LDP-01CAT-152Corsevin MHumanized(IgG)Murine[F(ab’)2]Humanized(IgG)HumanChimeric(Fab)Ⅰ/Ⅱ(继续)ⅢⅠ/Ⅱ аⅡⅠ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段冠状血管成形术并发症心肌梗死罗氏肉瘤病毒Glycoprotein ⅡbⅢareceptorPDGF ßRCD18F proteinReoProAbciximabCDP860Anti-CD18SynagisHumanized(IgG)Humanized[F(ab’)2]Humanized[F(ab’)2]Humanized(IgG1)Ⅰ/Ⅱ аⅡⅡFDA批准（1998）适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段艾滋病乙型肝炎巨细胞病毒中毒性休克一般癌症Gp120Hep BCMVTNF-аCD14VEGFPRO542OstavirProtovirMAK-195(SEGAND)IC14Anti-VEGFCD4 fusionHumanHumanMurine[F(ab’)2]?Humanized(IgG1)ⅡⅡ(批准)ⅢⅢⅠⅢ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段卵巢癌结肠病肺病头、颈部病变CA12517-1A CellsurfaceantigenAnti-idiotypicGD3epitopeEGFROvaRexPanorexBEC2IMC－C225MurineMurine(IgG2a)Murine(IgG)MerckKGaAChimeric(IgG0Ⅱ/Ⅲ德国批准（1995）ⅢⅢ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段乳腺病慢性淋巴细胞白血病急性粒细胞白血病非何杰金淋巴瘤HER2/neuCD52CD33CD20CD22HerceptinCampath1/( LDP03)SmartRituxanLymphoCideHumanized(IgG1)Humanized(IgG1)M195Chimeric(IgG1)Humanized(IgG)FDA批准（1998）生物制品许可申请蛋白质设计FDA批准Ⅰ/Ⅱ适用病症靶抗原抗体名称抗体来源临床阶段非何杰金淋巴瘤黑色素瘤HLAHLA DR抗id(GD2)*Smart 1D10Oncolym(Lym-1)TriGemHumanizedRadiolabelled murineMurineⅠⅡ/ⅢⅡ•武汉生物制品研究所研制的注射用鼠源性抗人T淋巴细胞CD3抗原单克隆抗体是国内自行研制最早批准上市的抗体；北京百泰生物与古巴合作开发的I类癌症治疗新药“重组人源化抗人表皮生长因子受体单克隆抗体”(商品名：泰欣生)是我国批准的第一个人源化单克隆抗体药物；•第四军医大学、成都华神联合研制的美妥昔单抗注射液(商品名：利卡汀)是全球第一个用于治疗原发性肝癌的药物，也是我国第一个具有自主知识产权的抗体类药物。