Affibody分子在生物技術和醫(yī)學應用中的研究進展*

鄭 蕾，李欣禹，成 昭，徐 玥

(1.西安醫(yī)學院 藥學院，陜西 西安 710021；2.陜西省食品藥品安全監(jiān)測重點實驗室，陜西 西安 710065)

上世紀90年代末，由于蛋白質工程技術的進步，產(chǎn)生多種非抗體蛋白質的骨架結構[1-2]，Affibody分子就是其中之一，已進入早期臨床開發(fā)階段[3]。Affibody分子，也被稱為親和體或者多肽適體探針，屬于新型親和配體，是通過組合蛋白工程技術，設計生產(chǎn)的一類通用型的非免疫球蛋白親和蛋白。自20世紀80年代被首次報道以來，因其區(qū)別于一般抗體分子的結構特征，功能方面獨具優(yōu)勢，因此Affibody的應用研究與發(fā)展迅速，被越來越多的研究者們所關注，現(xiàn)已廣泛應用于診斷和治療領域[4]。作者將對Affibody技術的最新進展，尤其是已經(jīng)進行轉化的研究進行重點綜述。

1 Affibody分子的結構與功能特點

Affibody分子是基于三螺旋束結構域框架的小(6.5-kDa)親和蛋白。作為組合蛋白質工程產(chǎn)物，Affibody的結構能夠根據(jù)組合蛋白質工程方法，選擇性地進行設計，并與所需的靶分子結合，通過體外選擇方法產(chǎn)生。Affibody分子為單鏈結構，1997年，Nord等人發(fā)現(xiàn)[5]，Affibody分子最初是由葡萄球菌蛋白A的免疫球蛋白結合區(qū)域Fc段衍化而來，結構中含有3個α-螺旋亞結構域，呈現(xiàn)出特殊的“Z段”結構，具有相對分子質量小、穩(wěn)定性高、易于改造等特點[6-8]，就目前已報道的臨床證據(jù)表明Affibody分子應用于人體有效且安全。通常，三螺旋束骨架結構中的螺旋一和二上，共包含可與受體結合的13個氨基酸殘基位置，包含58個殘基(6.5 kDa)，如果希望骨架蛋白結構獲得新的親合活性，最直接有效的辦法就是將其受體結合部位上的氨基酸，以合成DNA進行隨機化序列重組，可構建獲得龐大分子庫，通過不同手段進行分離[9-10]，改善蛋白支架的性能[11]，后續(xù)可按需求通過耦合基因型或表型配對的方法進行選擇，與不同的蛋白質進行基因融合[12-14]。小尺寸和易于工程化使Affibody分子適用于多特異性構建體，可使Affibody獲得更優(yōu)的親和活性[15]。最新報道的Affibody分子庫設計已運用三核苷酸密碼子混合物，而不是簡并密碼子構建，這一技術實現(xiàn)設計的精準控制(例如實現(xiàn)排除半胱氨酸和脯氨酸的目的)。三核苷酸密碼子混合物的設計使用，基于與相同靶標之間的序列相似性和/或基于單個殘基對通過丙氨酸掃描獲得的結合貢獻度等信息，促進第二代親和體分子具有更強的親和性和穩(wěn)定性。目前已有超過400項關于Affibody的研究發(fā)表，圖1是目前文獻報道的或已經(jīng)進入臨床開發(fā)階段的Affibody分子信息[16]。

表1 文獻報道的、已上市的或正在臨床開發(fā)階段的Affibody分子

與單克隆抗體相比，Affibody分子不僅選擇性和親和性高，具有耐熱性能，易制備儲存，便于化學修飾負載活性基團產(chǎn)生新功能，因其分子量小，也具有較高的細胞/組織穿透能力，使其更容易到達抗體無法到達的靶部位，同時非特異性結合部位中未結合的Affibody也可被迅速清除[4]，利用這一性質可通過注射放射性核素標記的Affibody分子，短時間內(nèi)就可以獲得高對比度的圖像信息，這對于臨床診斷和手術輔助指導都具有重要意義。科學家們通過Affibody不同的特性，探索Affibody分子轉化應用的潛力，開發(fā)其在影像學和治療學方面的各項應用。

2 Affibody分子在影像學方面的應用

在疾病的發(fā)生發(fā)展過程中，某些特異性生物標記物的濃度很低，一般在微摩爾甚至更低的水平，這些痕量物質的獲取和定量意義重大，因此臨床中檢測方法的靈敏度對于疾病的早期和精確診斷至關重要。

卵巢癌在所有婦科惡性腫瘤中的死亡率最高。HER2+是具有侵襲性，使得腫瘤發(fā)生遠端轉移的主要亞型。臨床上常規(guī)使用PET/CT對卵巢癌進行功能成像檢測以評估治療反應。然而，這種成像方法并不能提供有關HER2等癌癥特異性細胞表面生物標志物存在與否的信息，可見傳統(tǒng)方法無法幫助醫(yī)生決定是否選擇免疫療法來控制轉移的發(fā)生。因此，為了區(qū)分卵巢癌肺轉移中的HER2+和HER2-病變，Nomani等[17]利用基因工程改造釓(Gd)標記的Affibody-XTEN重組載體，用于檢測卵巢癌肺轉移，對該載體進行物理化學和生物學表征，以確定其純度、分子量、流體動力學大小和表面電荷、血清穩(wěn)定性、內(nèi)毒素水平、松弛性和靶向HER2抗原的能力，證實通過改造的Affibody可以準確獲取轉移性病變的關鍵生物學信息，與其他成像方式結合使用，以預先篩選患者并確定免疫治療的候選者，幫助醫(yī)生選擇最有效的治療策略。

Yang等[18]：設計了一種與不同功能的納米材料金(Au)和氧化鐵(Fe3O4)結合的三峰納米探針，實現(xiàn)了對表皮生長因子受體(EGFR)陽性腫瘤的成像。與其他具有單一成分的常規(guī)納米結構不同，這種三峰納米探針能夠將多種成像模式相結合，提供互補信息。此外，這種異質納米探針可以為靶向EGFR蛋白和PET成像報告分子，研究表明，所得到的納米探針為人類EGFR表達細胞和腫瘤的PET和MRI成像提供了高特異性、靈敏度和出色的腫瘤對比度，進一步證明了異質納米顆粒靶向EGFR及其進一步治療診斷應用的可行性。

Orlova等[19]將Affibody分子ZHER2:342-pep2與1,4,7,10-四氮雜環(huán)十二烷-1,4,7,10-四羧酸(簡稱DOTA)螯合劑進行位點特異性和均相綴合，在通過肽合成的單一化學過程。DOTA-ZHER2:342-pep2自發(fā)折疊并以65 pmol/L的親和力與HER2結合。在室溫和高達90 ℃下，30 min內(nèi)即可實現(xiàn)111In摻入量大于95%有效放射性標記，對HER2陽性腫瘤具有特異性。赫賽汀預處理不干擾腫瘤靶向，結果表明，放射性標記的合成DOTA-ZHER2:342-pep2可有效應用于臨床診斷HER2陽性表達的體內(nèi)分子成像。

3 Affibody分子在腫瘤治療方面的應用

在腫瘤藥物治療中，大多數(shù)藥物都因具有細胞毒性，造成患者用藥的毒副反應大，一定程度上影響了患者的生存質量。因此，越來越多的腫瘤治療關注靶向作用，這種作用可以使得藥物精準定位腫瘤細胞達到有效的治療濃度，同時又最大程度的降低了對正常的組織器官的損害。近二十年來，Affibody參與納米給藥系統(tǒng)的構建，實現(xiàn)了現(xiàn)有抗癌藥物的靶向作用，并在提高藥物溶解度、穩(wěn)定性、緩控釋、增效減毒等方面取得了豐碩的成績。將Affibody分子和抗腫瘤藥物進行融合，從而實現(xiàn)腫瘤治療的靶向性，因此目前Affibody分子在治療學中主要應用于抗腫瘤治療研究方向。

Zhang等[20]將G-四面體DNA膠束修飾的Affibody，結合5-氟脫氧尿苷和姜黃素，制備雙載藥DNA膠束(Cur@affi-F/GQs)，其中Affibody可靶向促進HER2受體介導的攝取，用于Her2+胃癌的治療，這種納米材料可用于具有顯著溶解度差異藥物的靶向共遞送；研究了5-氟尿嘧啶—Affibody核酸納米粒用于HER2+乳腺癌[21]，為核苷類抗腫瘤藥物的轉運提供了新的途徑；通過鏈間交聯(lián)或加合方法將DNA鏈與順鉑結合，制備DNA四面體-親和體納米顆粒，這種順鉑納米顆粒對乳腺癌HER2過表達細胞BT474表現(xiàn)出高選擇性和抑制作用，而在HER2低表達的MCF-7細胞中表現(xiàn)出較低毒性[22]。設計了一種共同裝載核苷類似物(5-氟脫氧尿苷，F(xiàn)UdR)和蒽環(huán)類藥物(阿霉素，Dox)的特異性Affibody-DNA雜化鏈修飾的金納米顆粒(AuNP)，并證明這些納米顆粒通過誘導凋亡，對過表達HER2的乳腺癌細胞具有更好的協(xié)同抗腫瘤活性[23]。

HER2高表達是多數(shù)惡性腫瘤標志物。Altai等[24]研究了靶向HER2的Affibody分子ZHER2:2891與細胞毒性美登素衍生物MC-DM1綴合用于靶向癌癥治療的潛力。所得的Affibody藥物偶聯(lián)物可作用于過度表達的HER2細胞，具有與曲妥珠單抗emtansine相似的IC50值，且不影響HER2低表達的細胞。該化合物8.5 mg/kg劑量下可被小鼠良好耐受，并顯示可以延長攜帶HER2過表達腫瘤的小鼠的存活時間。Zhao等[25]報告了一種釕催化劑Ru-Affibody分子，與腫瘤細胞上的HER2受體結合并原位催化吉西他濱前藥活化，提高選擇性、抑制腫瘤生長和減少副作用的，揭示了Affibody分子在HER2靶向癌癥化療中的潛力。Lan等[26]設計了一種前藥系統(tǒng)ZHER2:2891-ABD-Fcy/5-FC，該系統(tǒng)使用5-氟胞嘧啶(5-FC)和靶向HER2的Affibody蛋白分子ZHER2:2891，與酵母胞嘧啶脫氨酶(Fcy)融合以靶向HER2過表達的癌細胞，并將5-FC轉化為毒性顯著增加的化療藥物5-氟尿嘧啶(5-FU)。Wang等[27]使用Her2特異性Affibody負載順鉑的納米顆粒，將Her2靶向、診斷和溫度致敏集成為一體，增加了腫瘤放化療敏感性。Alavizadeh等[28]研究抗HER2-Affibody與順鉑PEG化脂質體的偶聯(lián)，可有效提高靶向脂質體的治療效果。Ding等[29]將Affibody載體與被重組表達為與白蛋白結合的融合區(qū)域(ABD)結合，用于延長血漿半衰期，1個或3個半胱氨酸結合于細胞毒性mcDM1分子結合的C末端。得到藥物偶聯(lián)物ZHER2-ABD-mcDM1和ZHER2-ABD-mcDM13，體外表征，確定了在攜帶HER2過表達SKOV3異種移植物的小鼠中的生物分布，載藥量增加會導致對HER2的親和力降低，但對HER2高表達的SKOV3細胞具有更強的細胞毒作用。Khaw等[30]將多柔比星聯(lián)合anti-HER2-Affibody-anti-DTPA-Fab，治療HER2+乳腺癌。Xu等[31]設計了一種新型的癌細胞靶向藥物偶聯(lián)物ZHER2:2891-ABD-E3-mcDM1，可有效抑制HER2+腫瘤。

表皮生長因子受體(EGFR)是癌癥治療的有效靶點。在Jia[32]的研究中，載有順鉑的聚乙二醇化脂質體(LS-DDP)——Affibody分子(EGFR拮抗分子)，用于EGFR高表達腫瘤，在體內(nèi)外均可主動靶向EGFR+A431腫瘤細胞，增強了抗EGFR+腫瘤作用。(ZEGFR:1907)2是一種新開發(fā)的二聚體親和體分子，對EGFR的細胞外部分具有高親和力。Sahlberg等[33]評估了(ZEGFR:1907)2在結腸癌細胞系HT-29和HCT116中靶向EGFR信號通路的細胞抑制作用。Ding等[34]設計了一種雙功能抗體MaAbNA(Affibody靶向EGFR1和HER2)，與阿霉素(ADM)偶聯(lián)，形成新型復合抗癌藥物MaAbNA-PEG2000-ADM，對高表達EGFR1和HER2腫瘤細胞表現(xiàn)出高度抑制作用，但在低表達細胞中毒性較小。

基于重組腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體(TRAIL)由于半衰期短，臨床使用效率低。使用內(nèi)源性長效蛋白(如IgG和白蛋白)作為載體的親和控制釋放可改善TRAIL的藥代動力學特征。Yang等[35]研究了TRAIL結合Affibody分子LgBD，可增加其細胞毒性和抗腫瘤作用。Tao等[36]設計了一個三域TRAIL變體Z-ABD-TRAIL，通過將血小板衍生生長因子受體β(PDGFRβ)特異性親和體ZPDGFRβ和白蛋白結合域(ABD)順序融合到TRAIL的N端，從而參與精準癌癥治療。

Affibody分子因其典型的高親和力、易于生產(chǎn)以及對藥物分子裝載和空間排列可控等優(yōu)勢，作為用于癌癥治療的細胞毒性藥物的載體具有很大的前景。Xia等[37]研究由Affibody分子ZHER2:342和單甲基奧瑞他汀E(MMAE)在水溶液中制備自組裝納米偶聯(lián)物，成功制備了用于靶向治療癌癥的Affibody-藥物偶聯(lián)物納米劑，具有良好生物安全性和抗癌作用。Zhang等[38將Affibody共軛RALA(affi-RA)設計用于遞送寡聚5-氟脫氧尿苷(FUdR，5-FU的代謝物)鏈，以提高5-氟尿嘧啶(5-FU)的選擇性，降低其毒性并改善其治療效果。Cho等[39]研究使用人血清白蛋白(HSA)和白蛋白結合肽(ABP)之間的強特異性相互作用來延長尿酸氧化酶(Uox)的釋放，用于治療高尿酸血癥的治療蛋白，通過將ABP-HSA相互作用應用于可注射水凝膠和治療性蛋白，蛋白的濃度可以在體內(nèi)長期保持，延長其治療效果，改善了蛋白半衰期短的問題。Han等[40]探討了新型靶向化療藥物ZHER2:V2-培美曲塞偶聯(lián)物，用于晚期非小細胞肺癌的療效和安全性。Koduvayur等[41]將前體藥物激活酶脫氧胞苷激酶(dCK)的編碼區(qū)與抗Her2親和體和設計錨蛋白重復蛋白(DARPin)的融合，通過促進核苷類似物氟達拉濱的活化來殺死癌細胞的能力，實現(xiàn)核苷類似物的定點激活，解決了毒性藥物可能的脫靶問題。Sochaj-Gregorczyk等[42]合成了包含單個半胱氨酸的3個ZHER2:2891變體，與細胞毒性成分中存在的馬來酰亞胺基團進行綴合，將細胞毒性藥物Auristatin E與識別HER2的Affibody(ZHER2:2891)偶聯(lián)，對HER2+腫瘤細胞敏感性更高。

熱敏脂質體是用于向腫瘤遞送和釋放藥物的有吸引力的載體。Puri等[43]為了提高乳腺癌治療的靶向功效，將HER2特異性Affibody分子(ZHER2:342-Cys，8.3 kDa)綴合到脂質體表面，改善抗癌劑的遞送?？贵w偶聯(lián)光敏分子可實現(xiàn)理想的腫瘤特異性光動力療法(PDT)，顯示出強大的臨床應用潛力。Li等[44]設計了一種新的靶向光敏劑，基于非常小的靶向蛋白(一種親和體分子)與光敏化合物結合，光敏焦脫鎂葉綠酸-a(Pyro)用PEG接頭(分子量為727 Da)進行修飾，然后與抗HER2Affibody(ZHER2:2891)蛋白進行位點特異性偶聯(lián)，提供均質的蛋白偶聯(lián)光敏劑。

4 其 他

與單克隆抗體相比，Affibody分子結構非常穩(wěn)健，可耐高溫，在環(huán)境溫度下結合并經(jīng)受多重熱循環(huán)，因此已被開發(fā)成高效的生物技術工具進入市場。例如，作為MabSelect SuRe中的耐堿活性成分，用于mAb的親和純化(MabSelect SuRe，目錄號17-5438-01，GE Healthcare，Chicago，IL，USA)或作為熱啟動PCR試劑盒的一部分，其中Affibody分子通過在環(huán)境溫度下與DNA聚合酶結合并在大量熱循環(huán)中存活來提高DNA聚合酶的保真度(Phusion Hot Start II DNA Polymerase，目錄號：F549L，Thermofisher Scientific，Waltham，MA，USA)。

5 結束語

目前Affibody分子因其穩(wěn)定性和特異性特點，為其在靶向給藥系統(tǒng)的應用提供展示空間，將Affibody分子直接與藥物相連，通過其特異性的識別能力引導藥物濃集于靶部位，提高藥物體內(nèi)靶向性，減少藥物對體內(nèi)正常組織和臟器的毒副作用，為腫瘤等疾病的治療帶來新的希望?？傊珹ffibody分子的優(yōu)勢特征將極大程度上推動治療性蛋白質藥物領域的發(fā)展。