人源化单克隆抗体的构建技术

1、人源化单克隆抗体的构建技术摘要：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。本文综述了人源化单克隆抗体的构建技术。关键词： 人源化，单克隆抗体，构建从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

2、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(human antigen mouse antibody， 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。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

3、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。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源化抗体。1 嵌合抗体的构建抗体分子与抗原结合特异性由 L 链和 H 链 V 区决定，抗

4、体 C 区可作为异源蛋白诱 发免疫反应，产生抗小鼠抗体( human anti-mouse antibody， 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(chimeric antibody)，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(chimeric antibody)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

5、：(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-tra nsfecti on model)和单载体转染表达模式(single vector transfection model)。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，Jones3等用寡核苷酸构建出小鼠抗半抗原一一 4- 羟基-3-硝基苯乙

6、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

7、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。2 CDR 移植抗体的构建尽管嵌合抗体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

8、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（CDR grafting antibody）。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

9、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Ig C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

10、疗性抗体发展的最终目 标抗体完全人源化。3 完全人源化抗体的构建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 。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 （ phage antibody library） 技术是 20 世纪 90 年 代初期抗体工程领域的重大研究进

11、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pM或p毗的基因中，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

12、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

13、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的抗 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。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

14、 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。需要进一步研究以改进此技术。4 总结限于嵌合抗体和改型抗体仍

15、保留部分免疫原性， 仍会导致部分反应， 现在研究者已 经渐渐开始转向更安全有效的全人抗体。 最早制备全人抗体的方法是采用噬菌体表面呈 现技术筛选获得的针对目标抗原的人抗体可变区基因， 再采用基因工程技术进行重组表 达，但是这种全人抗体往往亲和力较低。 现在，全人抗体几乎完全转向转基因小鼠产生。 为了使用更低廉的生产成本获得更大的生产能力，研究者发展了动物乳腺反应器技术， 将抗体基因转移至山羊或牛的体内， 特异地在乳腺中表达， 表达的抗体被分泌到动物的 乳汁中从而可被收集纯化 16 。如果能更好地解决畜群的传代问题，转基因动物生产人 源化抗体的技术必将得到广泛的应用， 极有可能代替动物细胞培养，

16、 成为大规模生产人 源化抗体药物的常规技术。参考文献1 Milstein KG. Continuous cultures of fused cells secreting antibody predefined specificityJ. Nature, 1975, 256(7): 495.2 朱学泰，谢溱，马瑞君.单克隆抗体制备技术研究进展J.甘肃科技,2005,21(3): 108.3 Jones PT, Dear PH, Foote J. Replacing the complementarity-determining regions in ahuman antibody with t

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