提高(gāo)抗體人源化效率的設計(jì)流程

在已經上(shàng)市和(hé)正在研發的抗體藥物中，人源化抗體藥物占據了(le)很(hěn)大(dà)的比例。這(zhè)些(xiē)人源化抗體主要是通過改造非人源抗體開(kāi)發出來(lái)的。非人源抗體通常會(huì)引起人體的免疫反應。這(zhè)種抗體藥物免疫反應通常會(huì)引起藥物的藥代動力學變化、減少藥物的半衰期、降低(dī)藥物的療效，甚至帶來(lái)副作(zuò)用(yòng)。
爲了(le)減少非人源抗體引起的免疫反應，通常會(huì)對(duì)抗體藥物進行人源化設計(jì)。通過移植非人源抗體的互補決定區(qū)(complementarity determiningregion，CDR)到(dào)人源框架上(shàng)，可以保留抗體藥物對(duì)靶分子的識别作(zuò)用(yòng)，減小(xiǎo)非人源抗體重鏈可變區(qū)(variable heavy chain，VH)和(hé)輕鏈可變區(qū)(variablelight chain，VL)框架區(qū)域引起的免疫反應。目前常用(yòng)的CDR移植方法主要有兩種，分别是基于抗體文(wén)庫的篩選方法，以及基于計(jì)算(suàn)機輔助抗體人源化的篩選方法。

抗體文(wén)庫篩選方法的基本原理(lǐ)是通過克隆非人源抗體的CDR序列到(dào)人源抗體框架文(wén)庫中，表達CDR移植的人源VH和(hé)VL抗體，從(cóng)中篩選出能(néng)與靶分子結合的抗體。該方法的優點是可以直接大(dà)規模篩選出與靶分子結合的人源化抗體；其缺點是實驗工(gōng)作(zuò)量大(dà)，需要大(dà)規模鑒定出具有親和(hé)力的人源化抗體，實驗成本和(hé)人力成本高(gāo)，成功率低(dī)。

計(jì)算(suàn)機輔助抗體人源化的基本原理(lǐ)是通過非人源抗體序列相似性篩選人源VH和(hé)VL框架序列，構建人源化抗體結構模型，計(jì)算(suàn)人源化抗體結構穩定性，篩選VH和(hé)VL組合類型，實驗驗證人源化抗體與靶分子的親和(hé)力。該方法的優點是通過大(dà)量計(jì)算(suàn)排除了(le)結構不穩定的人源化抗體，實驗隻需驗證少數的VH和(hé)VL組合類型。

中國科學院生物物理(lǐ)研究所研究人員提出了(le)一種基于結構穩定性的抗體人源化篩選方法，通過結構模拟，實現(xiàn)抗體CDR移植和(hé)框架區(qū)域人源化；對(duì)人源化的抗體進行結構優化，計(jì)算(suàn)VH和(hé)VL的鏈内和(hé)鏈間結合能(néng)；比較不同人源VH和(hé)VL組合類型的鏈内和(hé)鏈間結合能(néng)，從(cóng)中篩選能(néng)量最優的組合類型。

使用(yòng)CDR移植方法，排除了(le)移植導緻的抗體VH和(hé)VL鏈内和(hé)鏈間結合能(néng)過高(gāo)的結構模闆。使用(yòng)人源化框架篩選方法排除了(le)不同人源抗體VH和(hé)VL組合方式導緻的抗體VH和(hé)VL鏈内和(hé)鏈間結合能(néng)過高(gāo)的組合類型。通過使用(yòng)VH和(hé)VL的鏈内和(hé)鏈間結合能(néng)篩選出的人源化抗體VH和(hé)VL組合類型，能(néng)有效預測實驗結果。

通過VH和(hé)VL序列搜索抗體結構數據庫，篩選序列相似性排名靠前的抗體結構模闆進行CDR移植，對(duì)CDR區(qū)域進行主鏈和(hé)側鏈模拟，CDR區(qū)域移植成功後，根據抗體序列搜索人源序列數據庫，篩選排名靠前的人源序列組合類型，突變抗體框架序列，使其與人源序列一緻，對(duì)框架區(qū)域進行主鏈和(hé)側鏈模拟，計(jì)算(suàn)VH和(hé)VL結構域的鏈内和(hé)鏈間結合能(néng)，篩選出排名靠前的人源序列組合類型。

在這(zhè)個實驗過程中，有兩個關鍵的技術瓶頸。

第一個是從(cóng)人源抗體文(wén)庫中篩選出具有一定活性的CDR移植VH和(hé)VL組合類型。該步驟的實驗量大(dà)，人力成本高(gāo)，成功率低(dī)。爲了(le)減少實驗工(gōng)作(zuò)量，研究者通常會(huì)使用(yòng)序列同源性對(duì)VH和(hé)VL組合類型進行初步篩選，然後通過少量的實驗工(gōng)作(zuò)從(cóng)候選的VH和(hé)VL類型中篩選出具有一定親和(hé)力的人源框架。研究表明(míng)，高(gāo)序列相似性并不會(huì)導緻高(gāo)結構相似性。因此，從(cóng)序列相似性排名靠前的少量VH和(hé)VL組合類型中篩選人源框架具有較高(gāo)的失敗率。如何從(cóng)大(dà)量的人源序列組合類型中篩選出結構相似性排名靠前的VH和(hé)VL序列組合類型，成爲計(jì)算(suàn)機輔助抗體人源化設計(jì)的重要目标。

篩選VH和(hé)VL組合類型之前，需要确保抗體模闆的CDR空(kōng)間結構保持穩定。這(zhè)些(xiē)CDR空(kōng)間結構穩定的抗體模闆保證了(le)篩選到(dào)的VH和(hé)VL組合類型不會(huì)影響CDR的空(kōng)間構象。通常情況下(xià)，待預測抗體的CDR空(kōng)間構象是沒有的，如何通過非人源抗體的序列重建抗體的CDR空(kōng)間構象成爲了(le)重要的技術瓶頸。

參考文(wén)獻：

1. ZHONG Qiang.A computational antibody humanization pipeline based on the structural stability of antibody.[J]China Academic Journal Electronic Publishing House.2022, 42(1): 135-147
2. Lu RM, Hwang YC, Liu IJ, et al. Development of therapeutic antibodies for the treatment of diseases. JBiomed Sci, 2020, 27(1): 1-30

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