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Fab的表达
在基因工程抗体中,Fab类抗体有许多优势,如相对分子质量小、组织分布特异性强和免疫原性低等,使Fab类抗体成为近几十年来的研究热点。在已上市应用于临床的Fab片段药物及诸多临床前研究中,制备Fab的常用方法是酶消化法;在Fab的诸多表达系统,如细菌、酵母、哺乳动物细胞、昆虫和植物表达系统中,应用最为广泛的是大肠杆菌(E.coli)表达系统。
2.1 Fab的酶法生成制备
酶解法是通过特定的蛋白酶对全长的抗体分子进行水解从而获得期望的片段抗体。该方法制备片段抗体的特点是生产成本低、转化率高、工艺简便、便捷快速。目前,用于酶切抗体的酶主要包括木瓜蛋白酶、胃蛋白酶和无花果蛋白酶,其中木瓜蛋白酶消化IgG抗体是用于获得Fab最传统的方法。FDA批准并应用于临床的多数Fab类药物均是通过木瓜蛋白酶消化IgG所获得的。比如阿昔单抗(abciximab)、阿西莫单抗(arcitumomab)、响尾蛇多价免疫Fab和地高辛免疫Fab。基因工程抗体的出现使抗体生产得到了革新,但酶切法制备Fab类抗体因其独特的优越性并不会被基因工程抗体取代,尤其是非重组Fab类抗体片段的生成。
酶解法依据其使用的方法,通常可分为游离酶切和固定化酶切。游离酶切反应在溶液中完成,通过优化酶解条件可提高酶解效率;固定化酶切是通过吸附、包埋、交联和结合等方法将酶固定在一定的载体上并在有限的范围内进行催化反应。与游离酶切相比,固定化酶切可更好地控制消化过程,并有效地将酶解产物和酶分开。固定化酶切的切割程度可通过控制消化时间或过柱流速来调节;无酶抗体结合物的产生;可快速清除酶解产物中的酶,无须离子交换法来分离抗体片段;增加酶对热稳定性和自溶稳定性,有利于固定化酶的长时间维护等,使其在很多应用中逐渐取代了游离酶切。
2.2 Fab的大肠杆菌表达
大肠杆菌因其具有成本低、生长速度快、转化效率高、可在短时间内获得目标蛋白并对其进行纯化和分析,且最终蛋白产量较高等优势,可作为生成Fab的独特系统。重组Fab向E.coli 周质空间分泌需要一段15~30个氨基酸的信号肽引导。在Fab周质分泌表达中,常用的信号肽是主要外膜蛋白A(OmpA)和果胶裂解酶B(pelB)。此外,也可用相关软件从基因组中快速预测更适合目的Fab周质表达的信号肽。
除了在Fab片段前引入信号肽序列外,还可以通过改造宿主菌实现Fab的可溶性表达。有研究发现,大肠杆菌硫氧还原蛋白酶和谷胱甘肽还原酶缺陷株(trxB,gor)无硫氧还蛋白和谷胱甘肽还原酶活性,可提供一个有利于Fab正确折叠的氧化性胞质环境,功能性Fab在大肠杆菌trxB/gor突变株中可高产率表达。如Novagen公司的FA113菌株和Origami系列菌株皆为此类型突变菌,有利于Fab中二硫键的形成,且增加其可溶性,活性更高。
此外,特定培养条件可促使周质Fab在上清中的累积,其原因可能是诱导表达后周质中Fab积聚促使菌体裂解,也可能是特定的培养条件增加了大肠杆菌外膜的溶解性。上清液中的高浓度Fab是周质中Fab渗透到胞外的,因此从上清中纯化所得的Fab比从周质和裂解产物中纯化所得的Fab纯度更高。通常,不同的宿主菌、培养基、摇菌速率和通氧量,Fab的总产率及胞外渗透率有明显的不同。在分批补料葡萄糖培养基中,Fab表达总量及胞外产率最高,且与250r/min摇速的2%~17%胞外渗透率相比,150r/min的胞外渗透率高至75%;在含甘油的自诱导培养基中,250r/min条件下Fab的总产率是150r/min的5~9倍,且胞外Fab比率从10%增加至20%~90%;低通氧量会促进Fab的胞外分泌。这些发现对Fab的小规模生产有实际意义,且Fab胞外分泌对培养条件的依赖为Fab表达的控制和定位提供了有效途径。
2.3 Fab的其他表达系统
由于原核表达缺少真核转录后的蛋白修饰过程,酵母、昆虫和植物细胞表达系统的转录后加工修饰体系与哺乳动物细胞不完全相同,且表达的蛋白在糖链的结构和组分上与哺乳动物表达系统表达的蛋白有所差异。杆状病毒昆虫表达系统可有效表达Fab抗体片段,由于昆虫系统的糖基化方式与人类不同,临床治疗性抗体表达通常不建议采用此类方法。
无细胞系统也可产生功能性Fab抗体片段。无细胞蛋白质合成系统是一种以外源mRNA或DNA为模板的体外翻译系统,通过向细胞抽提物的酶系中补充底物和能源物质来合成蛋白质。与传统的体内重组表达系统相比,体外无细胞合成系统更简便、更快、更易操控,且可提供一个合适、可控且稳定的氧化还原电势辅助功能性Fab的表达。但该系统最具挑战的是轻、重链二硫键的形成及Fab的折叠;后者可通过使用谷胱甘肽氧化还原缓冲液、纯化氧化还原酶及添加分子伴侣等解决。无细胞系统表达Fab具有可扩展性和提升空间,可使得Fab产率优化,这将会是一个有前景的Fab生成方法。
抗体片段Fab在细胞质中合成并运输到周质腔,因此蛋白翻译后的折叠、转运过程及宿主细胞本身均会对其产生影响。不同抗体片段在表达过程中同时也受到抗体序列影响,这可能与其主要影响目标蛋白的合成和折叠有关。通常,新生多肽有两种去向;折叠与聚集,往往低温有利于蛋白折叠的进行。在培养基中加入0.4mol/L蔗糖后,在非常低的异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(0.02~0.03mmol/L)诱导时可以增加抗体的表达量。
当在一种表达系统中效果欠佳时,可考虑采用以下方法: ① 尝试使用不同的载体系统、标签和融合蛋白;② 将此表达系统导入不同的宿主菌中表达;③ 如果目的基因的编码序列含大肠杆菌的稀有密码子较多,可同时表达氨基酸的tRNA基因;④ 共表达分子伴侣或折叠酶,有时可提高抗体的可溶表达。
03
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F(ab')2 的制备表达
与单价抗原结合活性片段Fab相比,F(ab')2 是双价抗原结合活性片段,表观亲和力比Fab高;因其分子量较全长IgG分子减少了1/3(约100kDa),而对肿瘤的穿透能力较强,免疫原性降低,同时在肿瘤部位滞留时间较长,在实验动物体内的半衰期也比Fab长;由于片段抗体F(ab')2 缺乏恒定区,减少了与表达Fc受体的细胞发生非特异性结合的机会,因此在免疫诊断、医学影像和临床治疗方面有着重要的应用价值。
F(ab')2 片段可用胃蛋白酶酶解的方法制备,但其效率较低。随着分子生物学技术迅速发展,适合于双特异性抗体的构建模式同样适用于F(ab')2 双价片段抗体的表达制备。此外,还有如下方法,① 抗体片段的化学偶联;② 用短肽接头构建双价抗体片段;③ 亮氨酸拉链聚合;④ 表达免疫球蛋白的绞链区等。
抗体片段的化学偶联制备是指应用化学试剂[如邻苯二马来酰亚胺(O -PDM)、二硫代硝基苯甲酸(DTNB)和N-琥珀酰-3-(2-吡啶二巯基)丙酸盐(SPDP)等化学偶联剂],通过氧化还原反应将表达纯化的抗体片段Fab通过二硫键或硫醚键连成一个双价F(ab')2 分子。Carter等报道用大肠杆菌(E. coli)表达人源化HuMab4D5-8抗体Fab片段,之后用化学偶联法获得双价的F(ab')2 分子,产量可达2g/L,这一方法虽然引入外源性的化学偶联剂,但70%的产物以双价的抗体片段形式存在。
采用短肽接头构建双价抗体片段是将2个Fab的重链基因串联之后与相应轻链基因在宿主细胞中共表达,产生线型的F(ab')2,即L-F(ab')2。在L-F(ab')2 中,位于C末端的抗原结合位点与抗原的结合受到空间位阻的影响较大,表观亲和力介于F(ab')2和Fab之间。通常,可用5肽RTVAA、7肽RTVAAPS、10肽RTVAAPSVFI(缺乏柔韧性)或者(Gly4Ser)3 将Fab的重链基因串联后,和表达的轻链体外蛋白复性而获得L-F(ab')2,这一过程也可用来F(ab')2 体外的组装。
采用亮氨酸拉链聚合构建双价抗体片段可通过修饰Fos或Jun型亮氨酸拉链,在其两端分别加上一个Cys,然后将Fos或Jun的N末端与Fab的C 末端相融合而形成F(ab')2。二聚化结构域(dimerization domain)能促使蛋白质亚基之间装配成功能性二聚体。有报道显示,通过表达具有亮氨酸拉链聚合序列Fab段,之后将分别制备的针对不同靶点的Fab段体外混合,可生成双特异性二聚体形式的F(ab')2 片段,通常也可通过引入互补的杵臼结构(knobs into holes)修饰CH3界面来提高二聚化形成。研究显示,通过亮氨酸拉链连接抗体片段Fab其效率较高。
表达免疫球蛋白的绞链区构建双价抗体片段即通过在重链的Fd的羧基端加上小肽(CPP)3 的编码序列,模拟天然免疫球蛋白的绞链区来制备双价抗体片段F(ab')2。由于天然免疫球蛋白重链CH1的C 末端和CH2的N 末端交界处有1~2个Cys残基,它们可以两两氧化生成二硫键将2条重链紧密地共价结合在一起。这样,在重链Fd的3'端连接上小肽(CPP)3 的编码序列,富含Cys而且相邻的两个Cys之间由Pro隔开,使这部分肽链充分伸展但不能自由旋转和弯曲,不易形成链内二硫键,并且使Cys残基不易被其他氨基酸残基所遮掩,活性基团(—SH)充分暴露。片段抗体在表达过程中提高了重链间二硫键的形成的概率,提高了表达产物中F(ab')2 的含量。早在2002年,我国协和医科大学也报道了通过在CH1基因的末端添加一段二聚化结构的编码序列的方法,实现了从细菌周质腔隙中提取可溶性抗CD20嵌合F(ab')2 抗体分子;该分子具有天然三维立体结构,不需要进行变性复性,经蛋白G和Sephacyl S200 -HR分子筛两步分离纯化,纯度可达90%以上。
美妥昔单抗是鼠源F(ab')2 片段抗体,通过胃蛋白酶酶解的方法制备。将其与放射性元素131I标记,所制备的“利卡汀”用于原发肝癌的免疫靶向治疗。“利卡汀”可特异性地与肝癌细胞膜上的HAb18G/CD147抗原结合,将其荷载的放射性碘输送到肿瘤部位,从而产生抗肿瘤作用。该片段抗体F(ab')2 在临床应用中显示了良好的前景,同时也是全球第一个运用单抗进行核素标记实施靶向治疗原发性肝癌的分子靶向药物。一项纳入106例肝癌患者的多中心Ⅱ期临床研究结果显示,经过1~2个疗程“利卡汀”治疗后,患者21个月生存率为44.54%。其中73例患者完成了2个疗程的治疗,6例(8.22%)部分缓解(PR),14例(19.18%)完全缓解(CR),43例(58.90%)稳定(SD)。一项纳入60例经过肝移植手术后的Ⅲ期/Ⅳ期肝癌患者的利卡汀临床试验研究显示,患者一年内复发率显著降低,降低了30.4%,生存率提高了20.6%。同时“利卡汀”联合经导管肝动脉栓塞化疗术(transcatheter arterial chemoembolization,TACE)治疗原发性肝癌具有更显著的疗效,一项纳入148名肝癌患者的临床试验结果显示,与单独TACE治疗相比,利卡汀联合TACE治疗可有效延长患者的总体中位生存期。
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