肖宇辰 吉日木圖 郭文婕 伊 麗
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學乳品生物技術(shù)與工程教育部重點實驗室,呼和浩特 010018)
據(jù)《2020年癌癥統(tǒng)計》,全球范圍內(nèi)肺癌是發(fā)病率和病死率最高的腫瘤,約占腫瘤病死率的18%。2018年,中國新發(fā)癌癥約428萬例,其中肺癌、胃癌、肝癌等占總數(shù)的58.6%[1]。肺癌可分為小細胞肺癌和非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC),治療手段有手術(shù)、放療、化療和靶向治療[2]。近年免疫治療是肺癌診療的研究熱點,是必不可缺的組成部分。
20世紀90年代以來,研究者相繼在單峰駝、雙峰駝、羊駝等血清中發(fā)現(xiàn),除含IgG1(170 kD)外,還存在天然缺失輕鏈的重鏈抗體(heavy-chain antibodies,HCAbs)IgG2和IgG3(100 kD)[3-10]。重鏈抗體包含 2個恒定區(qū)(CH2和CH3)、1個鉸鏈區(qū)及1個重鏈可變區(qū)(variable heavy chain domain,VHH)。VHH抗體又稱為納米抗體(nanobody,Nb),分子量僅為傳統(tǒng)抗體的10%,保留了HCAbs完整的抗原結(jié)合力,特異性強、親和性好、穩(wěn)定性高,廣泛用于生化機制研究、結(jié)構(gòu)生物學及腫瘤等疾病診療[11]。Nb偶聯(lián)放射性核素可作為腫瘤活體成像的示蹤劑,快速有效地穿透至腫瘤組織,增強成像信號[12]。此外,Nb多被設(shè)計為多價或多特異性結(jié)構(gòu),可特異性結(jié)合蛋白表面空腔,也可與信號序列相連,利用細菌或相關(guān)受體通路在腫瘤細胞內(nèi)進行靶向遞送[13-16]。Nb優(yōu)越的成藥特性使其在癌癥診療等方面具有良好前景。
早期診斷與靶向治療一直是抗腫瘤重點,其關(guān)鍵在于最大程度減少對正常組織的損傷,同時快速準確地將藥物滲透至病灶,對滲透性及親和性提出了更高要求。Nb因其獨有特性成為抗腫瘤的最佳選擇。
1.1 Nb結(jié)構(gòu)特征 常規(guī)抗體IgG由2條重鏈(heavy chain,H鏈,50~75 kD)和2條輕鏈(light chain,L鏈,25 kD),通過非共價鍵與二硫鍵相互連接形成一個“Y”型四肽鏈結(jié)構(gòu)(150 kD)(圖1)[17]。H鏈由恒定區(qū)(CH1、CH2、CH3)和可變區(qū)(VH)組成,L鏈包含恒定區(qū)(CL)和可變區(qū)(VL)。與傳統(tǒng)IgG相比,HCAb缺少L鏈和H鏈CH1,僅含H鏈CH2、CH3和VHH。
圖1 常規(guī)抗體IgG1、HCAbs結(jié)構(gòu)示意圖[10]Fig.1 Schematic structure of conventional IgG and HCAbs[10]
Nb是目前已知可與抗原結(jié)合的最小片段,單鏈抗體分子量約30 kD,而Nb分子量約15 kD,是常規(guī)抗體的10%。駝源VHH與人源抗體VH結(jié)構(gòu)相似(圖2),均包含互補決定區(qū)(CDR1、CDR2、CDR3)和骨架區(qū)(FR1、FR2、FR3、FR4)。VHH胚系基因與人類VH3家族序列同源性達80%~90%,區(qū)別在于VHH的CDR1和CDR3長于人類[18]。相較于常規(guī)抗體,VHH的CDR3結(jié)構(gòu)呈凸型,抗原特異性結(jié)合力更強,輕鏈缺失并未影響其抗原結(jié)合力。雖僅含3個CDR,但Nb具有完整的抗原結(jié)合片段,特異性強、親和力高。駱駝科動物的VHH基因在維系正常HCAb功能的幾個重要位點處存在選擇性進化。常規(guī)抗體VH區(qū)的FR2區(qū)中,4個氨基酸殘基(V37、G44、L45、W47)與VL區(qū)相互作用,而在HCAb中,這些疏水性氨基酸殘基則特征性突變?yōu)橛H水性殘基 F(Y)37、E44、R45、G47(圖2),使VHH的親水性增強,加上其內(nèi)部的二硫鍵,無需與VL形成二聚體即可維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[19]。此外,駱駝HCAbs不含CH1區(qū),但CH1區(qū)序列存在于H鏈胚系基因序列,經(jīng)翻譯重組后,編碼可變區(qū)mRNA缺失,可能源于該基因重排時經(jīng)歷了剪切作用。此外,H鏈CH1區(qū)的氨基酸序列可與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中免疫球蛋白結(jié)合蛋白結(jié)合,從而影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)抗體產(chǎn)生,也是加快CH1區(qū)缺失的原因。而CH1區(qū)缺失后,鉸鏈區(qū)則直接連接HCAbs的可變區(qū)和恒定區(qū)。
圖2 VHH與VH結(jié)構(gòu)差異[4]Fig.2 Structure differences between VHH and VH[4]
1.2 Nb的功能特征
1.2.1 溶解性高、穩(wěn)定性強 常規(guī)抗體VH暴露的疏水域彼此黏附,而VHH的FR2框架區(qū)4個親水氨基酸替代疏水氨基酸,增強了水溶性,降低了聚合性。VHH的穩(wěn)定性源自內(nèi)部多個二硫鍵,耐熱性強,常溫下易儲存使用,37 ℃放置1周后,VHH仍可保持80%以上活性[20-21]。此外,VHH在強變性劑條件下也顯示出較高的耐受性,高于90 ℃可長期保存,恢復室溫后易復性并重獲生物活性[22]。
1.2.2 靶向性和穿透力強 VHH較長的CDR3凸型結(jié)構(gòu)可深入抗原內(nèi)部更好地與抗原結(jié)合。VHH FR2區(qū)的親水氨基酸替代了輕鏈缺失引發(fā)的抗原結(jié)合力下降,穿透力更好,可進入腫瘤組織發(fā)揮功效。此外,Nb還可有效穿透血腦屏障,為治療阿爾茨海默病和帕金森綜合征等腦部疾病提供了新途徑[23-25]。
1.2.3 免疫原性弱,易人源化 傳統(tǒng)抗體在治療時會產(chǎn)生免疫原性,觸發(fā)強烈免疫應答。VHH的分子量小,僅為常規(guī)抗體的1/10,結(jié)構(gòu)簡單,僅含1個結(jié)構(gòu)域,可避免Fc片段引起的補體反應。此外,VHH與人VH區(qū)同源性高(>80%),依據(jù)兩者氨基酸差異可對駝源VHH中的12個氨基酸殘基進行人源化修飾,降低VHH抗體作為治療藥物的免疫原性[18]。
1.2.4 易生產(chǎn) VHH可由單個基因編碼,在各種蛋白表達系統(tǒng)中高表達(圖3),即使以包涵體形式表達也易復性[26-28]。常規(guī)條件下,VHH在大腸桿菌中表達量為5~10 mg/L,酵母表達體系或優(yōu)化條件下表達量更高[3]。
圖3 駝源VHH抗體制備流程Fig.3 Preparation process of camelid VHH antibody
Nb分子小、穿透力強,可高效滲透至靶標,且血液清除速度快、特異性高、親和力高,常被作為靶向示蹤分子用于特異性放射顯像或靶向超聲造影,憑以上特性偶聯(lián)不同標志分子,并聯(lián)合PET、SPECT、超聲或光學成像等技術(shù),實現(xiàn)以Nb為基礎(chǔ)的病灶組織特異靶向示蹤,實現(xiàn)腫瘤快速、靈敏、定量診斷,大大提高診斷水平,將成為成像領(lǐng)域重要研究方向。近年取得進展見表1。
表1 Nb用于癌癥診斷劑Tab.1 Application of Nb in cancer diagnostic agents
當前,Nb偶聯(lián)放射性同位素或熒光標志物可實時監(jiān)測癌細胞等。臨床常用放射性核素99mTc偶聯(lián)Nb示蹤疾病。99mTc標記的anti-EGFR-Nb腫瘤攝取高,體內(nèi)半衰期僅為1.5 h,可用于肺癌免疫治療與放射顯像[29-30]。99mTc-RGD-GE11@USPIO可同時富集于EGFR和αvβ3均高表達的肺癌H1299腫瘤部位,靶向性好,結(jié)合率高,T2造影效果顯著,具有SPECT/MRI雙模成像效果[31]。99mTc-EGFR Nb五聚體可高效結(jié)合并顯影多種EGFR+癌細胞,作為一種新型分子探針用于癌癥放射診斷[32]。scFv@GoldMag可與EGFR+肺癌細胞特異性結(jié)合并內(nèi)化,有望成為MRI分子探針[33]。納米分子探針anti-EGFR-PEG-SPIO具有超聲磁性效應、靶向高表達EGFR癌細胞等特點,有潛力成為MR分子探針[34]。而利用Uni CAR-T細胞和腫瘤特異性靶模塊(TM)生成二價α-EGFREGFRTM,擁有強大的EGFR親和力,可將其重定向至EGFRlow腫瘤細胞,增加細胞因子釋放和腫瘤排斥反應,促進雙特異性CAR-T細胞生成,進而示蹤EGFR 低表達的肺癌細胞[37]。
以HER2為靶點的Nb偶聯(lián)68Ga在PET/CT顯像中安全性較高,生物分布較快,可媲美常規(guī)PET示蹤劑[39]。Nb-2Rs15d可與99mTc、177Lu、18F等偶聯(lián),快速、特異、高對比度示蹤HER2過表達腫瘤組織,而與α-發(fā)射體225Ac偶聯(lián)可最小程度暴露周圍健康組織,向靶細胞提供高致死性和局部輻射[40-43]。125I-Nb和131IB-Mal-DGEEEK-Nb對BT474M1細胞均具有較好親和力,131IB-Mal-DGEEEK-Nb腫瘤攝取高于125I-Nb,脫碘現(xiàn)象明顯減少,具有靶向診療肺癌的潛力[44]。而具有良好親和特異性及親和強度的anti-HER2-Nb五聚體為NSCLC治療提供了新的可能。99mTc標記的抗巨噬細胞甘露糖受體(macrophage mannose receptor,MMR)Nb可快速定位至過表達MMR的肺癌組織,具有高腫瘤組織特異性,而將其構(gòu)建為多價Nb可增強特異性,縮短體內(nèi)半衰期[45]。99mTc-anti-PD-L1 Nb可快速特異性濃聚于高表達PD-L1的NSCLC,并在1~2 h內(nèi)獲得有效顯像,靶本比高,輻射劑量低,具有成為方便、快捷,有效新型顯像劑的潛力[46]。
近年傳統(tǒng)抗體是臨床靶向肺癌治療的主要方法之一,但其分子量高達150×103,穿透力差,有時難以到達靶組織。而Nb憑借獨特優(yōu)勢:特異性作用于某些過表達組織,有效干預其分子調(diào)控及腫瘤信號轉(zhuǎn)導,腫瘤治療。目前針對肺癌靶點的Nb主要包括anti-EGFR Nb、anti-HER2 Nb、anti-VEGF Nb、anti-CD47 Nb、anti-CD147 Nb等。
3.1 靶向PD-1/PD-L1的Nb 程序性死亡受體1(PD-1)是T細胞表達的重要免疫抑制分子。PD-L1 為Ⅰ型跨膜糖蛋白,可表達于B細胞、T細胞、樹突狀細胞等,也廣泛表達于NSCLC等腫瘤細胞。PD-1與PD-L1屬于同一對T細胞負性共刺激分子,二者相互作用可產(chǎn)生免疫負應答,形成負腫瘤微環(huán)境,導致腫瘤免疫逃逸。PD-L1高表達于肺癌組織(61.67%),與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、TNM分期、腫瘤細胞分化程度等相關(guān),可成為判斷NSCLC病情發(fā)展及預后的有效指標。Anti-PD-1/PD-L1藥物主要通過阻遏T細胞的PD-1與腫瘤細胞的PD-L1結(jié)合,削弱PD-1介導的抑制作用,促使免疫系統(tǒng)殺傷腫瘤細胞,目前國外已上市Tecentiq、Imfinzi和Bavencio等PD-L1抗體藥物,anti-PD-L1 Nb KN035對NSCLC等腫瘤治療效果顯著[47]。
Anti-PD-1 Nb可有效識別位于PD-1相互作用界面的β環(huán),顯著抑制PD-1結(jié)合至靶細胞表面的PD-L1。KN035是二價的anti-PD-L1 Nb-Fc融合物,與Durvalumab(FDA批準的anti-PD-L1 IgG1κ)具有同等活化CD4+T細胞及抑制癌細胞生長的作用,可聯(lián)合NK細胞介導ADCC作用殺傷癌細胞,與已知的FcγRs參與加強anti-PD-L1抗體抗癌活性有關(guān),具有靶向治療肺癌的潛力[47]。雙靶向Nb團簇體系(PEIRTX-AZL)利用anti-CD20-Nb特異性靶向腫瘤細胞,anti-PD-L1 Nb阻遏PD-1/PD-L1信號通路,恢復CTL細胞的抗腫瘤活性,協(xié)同增強增殖抑制、ADCC和PCD作用,大大提高其肺癌治療效果[48]。此外,Nb還可靶向免疫細胞和癌細胞,并重塑腫瘤環(huán)境。Anti-PD-L1 Nb修飾的脂質(zhì)體可將抗腫瘤藥物吉非替尼(Gefitinib)和辛伐他?。⊿V)傳遞至NSCLC內(nèi)皮細胞及M2樣巨噬細胞,且對Gef、SV耐藥細胞具有較強的抗腫瘤作用[49-50]。目前已成功構(gòu)建anti-PD-1/ PD-L Nb,無疑為NSCLC治療提供了一種新藥物,使靶向治療肺癌又前進一步。
3.2 靶向EGFR的Nb EGFR在NSCLC中陽性表達比例為45%~85%,且在正常組織、癌旁組織、癌組織中表達遞增。EGFR異常激活時會導致細胞過度分裂,促血管生成,抑制細胞凋亡。因此,EGFR表達可作為肺癌檢測指標,而靶向EGFR的藥物也是肺癌治療的新熱點。
目前,anti-EGFR Nb常作為拮抗劑競爭性識別結(jié)合高表達EGFR的肺癌細胞,阻滯其信號轉(zhuǎn)導,抑制肺癌細胞增殖、遷移活性,并誘導其凋亡,具有良好的應用前景。anti-EGFR Nb的多價形式可一定程度克服信號通路抑制劑的獲得性抗性,具有更高抗腫瘤效力[51]。anti-EGFR Nb偶聯(lián)anti-HER2的親和配體affibody的多價抗體MaAbNA(29 kD)可將低表達EGFR1和Her2的細胞毒性降至最低,同時抑制過表達EGFR1和Her2的肺癌細胞[52];融合腫瘤特異性結(jié)合肽iRGD后可獲得具有高抗腫瘤效力和高腫瘤組織滲透率的重組蛋白anti-EGFR-iRGD,為肺癌診療提供了新的思路[53]。雙特異性輕型T細胞銜接子(LiTE)體積小、親和力強、穿透力強,可通過 連續(xù)注射用于肺癌治療及基因遞送,進一步結(jié)合 4-1BB scFv-TIE-EGFR Nb鏈形成雙特異性三價 4-1BB×EGFR構(gòu)建體,可精準定位腫瘤,顯著降低靶外細胞毒性,有效治療肺癌[54-56]。雙特異性抗體可同時觸發(fā)Vγ9Vδ2-T細胞及EGFR+癌細胞系的體外細胞毒性作用,減輕腫瘤負荷并提高存活率,可用于靶向肺癌治療[57-58]。而Transbody的強細胞穿透力可胞內(nèi)干擾EGFR-TKI結(jié)構(gòu)域激酶活性,抑制胞內(nèi)信號傳導,進而治療EGFR過表達肺癌[59]。
鑒于EGF與EGFR的親和力最高,anti-EGF Nb直接與受體競爭結(jié)合EGF,破壞內(nèi)源性EGF-EGFR相互作用,而激活EGF抑制劑,阻遏EGFR致癌途徑,具有靶向診治肺癌的潛力[60]。目前第一種EGF治療性疫苗Cimavax已通過臨床試驗,可顯著提高肺癌患者存活率。
此外,Anti-EGFR Nb可作為載體攜帶細胞毒藥物或裝載激酶的抑制劑,直接靶向EGFR+的癌細胞,顯著抑制其增殖、遷移,發(fā)揮治療效果[61-65]。以Nb作為藥物傳遞系統(tǒng)避免了普通給藥方式的毒性反應,將疏水性藥物以親水結(jié)構(gòu)進行運輸避免了多次給藥產(chǎn)生的免疫原性,在遏制腫瘤生長同時協(xié)同其他藥物發(fā)揮療效,為診治高表達EGFR的肺癌提供了新思路。
3.3 靶向Her2的Nb 人類表皮生長因子受體2(Her2)是Ⅰ型跨膜酪氨酸激酶受體家族成員,常過表達于中晚期肺癌,尤其是肺腺癌,可作為預后評估指標[66]。Her2過表達的肺癌對放療不敏感,對化療也產(chǎn)生耐藥性,而anti-Her2 McAb可抑制Her2過表達的肺癌細胞株生長,增強對化療的敏感性,人為干預Her2過表達有利于治療晚期肺癌[67]。
目前,研究者正在積極獲得具有Her2抗原親和性的VHH抗體,為開發(fā)一種新的效價高、副作用小、成本低的肺癌靶向抗體藥物提供可能[68]。對Her2和效應細胞FcγRⅢa的表位具有特異性及高親和力的Her2 bsFab可對Her2low腫瘤顯示出強大抗癌活性,同時避免了曲妥珠單抗及Fc相關(guān)局限性,提高了腫瘤免疫療法的適用性[69]。而將anti-Her2 Nb與其他靶點IgG的Fab、Fc片段或scFv融合得到的特異性分子不僅保留了IgG的血清半衰期和效應子功能,還增強了穿透性,具有強烈體外細胞毒性和體內(nèi)腫瘤生長抑制效果[70-72]。此外,雙特異性Her2×CD20 CAR將雙Nb串聯(lián)用作抗原識別結(jié)構(gòu)域,可同時識別CD20或Her2細胞,通過丟失腫瘤抗原降低腫瘤逃逸風險,提高了靶向準確性[73]。anti-Her2 Nb作為抗原結(jié)合結(jié)構(gòu)域(ABD)偶聯(lián)作為抗體募集結(jié)構(gòu)域(ARD)的二硝基苯酚基(DNP),可同時結(jié)合人血清0.8%的IgG1及Her2+腫瘤細胞,從而募集DNP特異性IgG1血清抗體,借助FcγRⅢ誘發(fā)NK細胞介導的ADCC作用,殺傷癌細胞[74]。
3.4 靶向VEGF的Nb VEGF是參與腫瘤血管發(fā)生的關(guān)鍵因素,在NSCLC中高表達(54%),可促進肺癌細胞生長、侵襲和轉(zhuǎn)移,影響NSCLC術(shù)后生存率和無瘤生存期,因而VEGF是NSCLC靶向治療的重要靶點。
目前,對人/鼠源VEGF具有高特異性及親和力的Nb主要通過阻遏VEGF顯著抑制體外人內(nèi)皮細胞遷移,以劑量依賴方式顯著抑制體內(nèi)肺上皮腫瘤細胞(TC-1)生長,提高存活率[75-78]。另外,VEGF抗體可阻遏VEGF與受體結(jié)合,抑制腫瘤新生血管形成。血管內(nèi)皮生長因子受體2(VEGFR2)與假單胞菌外毒素A共軛復合物和主要組織相容性復合體(MHCⅡ)與小分子微管抑制劑(DMⅠ)共軛復合物,皆可增強Nb對腫瘤組織的滲透力,有效抵達腫瘤部位,并特異性發(fā)揮抑制作用[79-80]。而與人IgG1抗體Fc片段融合的fusionbody則通過Nb與細胞表面VEGFR2結(jié)合,利用細胞凋亡和補體依賴性細胞毒性(CDC)殺死靶細胞[81]。
此外,偶聯(lián)富含脯氨酸-丙氨酸-絲氨酸(PAS)的序列既可保持anti-VEGFA Nb生物學活性,又可顯著改善其分子大小、流體動力學半徑、溶解度及半衰期,為新型抗癌藥物開發(fā)開辟了新途徑[82]。
3.5 靶向CD47/CD147的Nb CD47又稱整聯(lián)相關(guān)蛋白(IAP),可結(jié)合源自骨髓的固有免疫細胞,尤其是巨噬細胞表面免疫負調(diào)節(jié)分子——信號調(diào)節(jié)蛋白α(SIRPα)遏制巨噬細胞吞噬作用。CD47在諸多腫瘤中過表達,是腫瘤逃避免疫攻擊的機制之一。anti-CD47 Nb可競爭性阻遏CD47結(jié)合SIRPα,并介導巨噬細胞發(fā)揮作用,靶向殺傷NSCLC等實體瘤細胞,為腫瘤免疫治療提供了新方案[83]。而以恢復巨噬細胞介導吞噬作用的anti-CD47 Nb在體內(nèi)僅與抗PD-L1結(jié)合后才產(chǎn)生抗腫瘤活性[84]。由于CD47的普遍表達,阻遏CD47的關(guān)鍵在于健康細胞毒性(貧血)和抗原沉降,因此,CD47療法是解決腫瘤部位的抗體以降低毒性,利用基因工程改造B16細胞系用于在腫瘤微環(huán)境中表達anti-CD47 Nb,可同時解決抗原庫和Nb內(nèi)在的低半衰期問題,為癌癥治療提供了新依據(jù)[85]。
CD147是一種屬于免疫球蛋白超家族的跨膜糖蛋白,高表達于肺癌等惡性腫瘤組織[86]。CD147能夠調(diào)節(jié)MMP分泌,控制癌細胞遷移、侵襲,可作為NSCLC的生物標志物。HcHAb18是一種人源化修飾型嵌合IgG單抗,易結(jié)合Fc受體,進而增強其ADCC效應,現(xiàn)已進入NSCLC一期臨床試驗[87];而anti-CD147 Nb(11-1)可引起血液中趨化因子含量升高,間接發(fā)揮抗腫瘤效力,進一步偶聯(lián)阿霉素后會引起腫瘤細胞凋亡或壞死,為肺癌診療提供了新手段[88]。目前針對肺癌靶點的Nb如表2所示。
表2 Nb用于肺癌治療劑Tab.2 Application of Nb in lung cancer therapeutics
Nb已在肺癌診療中展示出廣闊前景,但仍存在一些問題:①非免疫天然VHH文庫不易篩選到高特異性Nb,而獲得特異性Nb的動物免疫費用高,篩選過程復雜;②Nb因缺失Fc片段而缺乏ADCC和CDC功能;③用于腫瘤診療的靶標多位于細胞內(nèi),需體內(nèi)轉(zhuǎn)染介導內(nèi)源性Nb表達,轉(zhuǎn)染率較低;④駝源Nb在人體內(nèi)免疫應答程度需確定。針對上述問題,可采取以下辦法:①分子克隆技術(shù)及噬菌體展示技術(shù)優(yōu)化將促進Nb文庫構(gòu)建及特異性Nb篩選;②人源化修飾Nb可降低其免疫原性,減少免疫應答,同時與人源IgG Fc片段嵌合,增加其ADCC和CDC功能。Nb不僅在腫瘤示蹤檢測中發(fā)揮重要作用,也將在替代傳統(tǒng)靶向抗體藥物、ADC藥物、口服抗體藥物、融合蛋白、腫瘤局部干預治療等方面實現(xiàn)新突破。
肺癌產(chǎn)生和發(fā)展是一個多基因、多階段的動態(tài)演變過程,其信號傳導機制又是一個多因素交叉復合的體系,構(gòu)建多靶點納米復合抗體或多靶點聯(lián)合用藥將為肺癌診療帶來新的視角,發(fā)揮更好療效。隨著對人類基因組學、生物化學及Nb的深入探索,更多有效的肺癌治療靶點將被發(fā)現(xiàn),進而構(gòu)建更多、更高效的特異性Nb,從而推動Nb靶向肺癌診療步入新階段。