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抗病毒感染抗体:发展策略及研究进展

日期: 2022-08-04
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单克隆抗体(mAb)具有高特异性并能增强免疫反应的特点,是一种潜在的病毒感染治疗剂和预防剂。而抗体工程可增强效应器功能,延长mAb半衰期。结构生物学的进步,则利于通过识别病毒蛋白中的易损区域选择和优化有效的中和mAb,并设计疫苗。

  

 

COVID-19的爆发使针对严重急性呼吸综合征冠状病毒2SARS-CoV-2)中和mAb的研发日益火热,目前已有几款mAb获得紧急使用授权(EUA)。mAb的应用不仅有益于COVID-19应对,而且还推动其他传染病的治疗和预防。

 

 

 

在这里,我们总结了抗体发现和抗体工程的研究进展,以及抗病毒感染mAb的开发过程,这些病毒包括SARS-CoV-2、呼吸道合胞病毒(RSV)、埃博拉病毒(EBOV)、人类巨细胞病毒(HCMV)和流感病毒。

 

 

 

1970年代KöhlerMilstein开发能够产生单克隆抗体(mAb)的杂交瘤技术以来,mAb已成为治疗癌症和免疫疾病的关键药物,2021年第100种基于抗体的治疗药物已获得美国食品和药物管理局(FDA)批准。

 

 

 

然而,尽管利用抗体对抗传染病的历史可以追溯到一个多世纪以前的血清应用,但只有少数mAb药物用于治疗或预防传染病。截至2022年初,已有6种针对病原体的mAb已获得FDA批准(表1),适应症包括预防呼吸道合胞病毒(RSV)感染、预防和治疗炭疽感染、预防艰难梭菌感染复发和治疗埃博拉病毒(EBOV)感染。

 

 

 

2020年,COVID-19的迅速传播使研究人员大力开发针对SARS-CoV-2的中和mAb。现阶段,超过20mAb进入临床开发阶段,其中一些mAb已获得FDA和全球其他机构的EUA(表2)。尽管疫苗一直是应对COVID-19的主力军,但mAb也有一定贡献,特别是针对免疫功能低下或有轻度至中度COVID-19的患者。

 

 

 

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抗体特性与抗体工程

 

 

 

1、抗体结构和功能

 

 

 

抗体是病原体感染或接种疫苗后由浆细胞或受刺激的记忆B细胞产生的天然生物分子,为Y形异二聚体,由两条25kDa的轻链和两条至少50kDa的重链组成,重链和轻链之间通过多个二硫键和非共价相互作用连接。

 

 

 

抗体也可分为抗原结合结构域(Fab)和可结晶片段结构域(Fc),两个Fab结合并中和病原体,通过铰链与Fc相连,Fab相对Fc具有较大的构象灵活性,能与抗原产生强烈相互作用。糖基化的Fc结构域与其他蛋白质结合,可以介导抗体依赖性细胞毒性(ADCC)、补体依赖性细胞毒性(CDC)和抗体依赖性等细胞吞噬作用。Fc结构域还可以与新生儿Fc受体(FcRn)相互作用,影响抗体药代动力学。

 

 

 

抗体的种类取决于alphamugammaepsilondelta等基因片段是否与其可变区重组。人类以下基因产生不同的抗体亚类:α基因片段产生IgA1IgA2,γ基因片段产生IgG1IgG2IgG3IgG4mu片段产生IgMepsilon片段产生IgEdelta片段产生IgD。除IgD外,每个亚类都能消除不同类型的病原体,IgG类主要针对血液和细胞外液中的病原体。

 

 

 

不同抗体亚型的序列变异决定了它们对FcRnFcγR和补体蛋白C1q的亲和力和特异性。其中IgG1启动ADCCCDCIgG2IgG4是较差的CDC激活剂,而IgG3有效激活CDC,大多数临床使用或针对感染性疾病开发的治疗性mAbIgG1亚型。

 

 

 

2、抗体作为抗病毒药物

 

 

 

一个多世纪以来,单克隆或多克隆抗体已被用于传染病治疗和预防。抗体可以通过多种机制对抗病毒感染。

 

 

 

首先,抗体可以防止包膜病毒的病毒糖蛋白或无包膜病毒的蛋白壳与靶宿主细胞结合,这些病毒蛋白在病毒生命周期中具有两个主要功能:与细胞受体结合,介导病毒和细胞膜融合(在包膜病毒的情况下)或渗透到细胞质中(在无包膜病毒的情况下)。

 

 

 

例如,SARS-CoV-2进入宿主细胞是由病毒刺突(S)糖蛋白与宿主细胞表面的血管紧张素转换酶2ACE2)受体之间相互作用介导的。ACE2在呼吸系统、胃肠道和内皮细胞上表达。病毒刺突与ACE2的相互作用可以被靶向刺突受体结合域(RBD)的抗体阻断,抑制病毒感染。

 

 

 

通过与白细胞上的补体蛋白C1qFcγR结合的抗体也可以对抗病毒感染,导致病毒和/或受感染宿主细胞直接裂解;抗体还可以促进或诱导吞噬作用,或导致有毒化学物质的释放,如细胞因子或活性氧。极少数情况下,抗体与病毒粒子的次优结合可通过抗体依赖性增强(ADE)过程促进病毒发病,其中FcγR识别病毒-抗体复合物可利于病毒进入宿主免疫细胞。

 

 

 

使用动物抗原血清是第一种被动免疫法,但有可能引发人类抗体免疫反应,因此可使用人的血液作为抗体来源,这就是恢复期血浆疗法(CPT)。但个体之间不同的抗体反应限制了其发展,且CPT还存在安全风险,包括过敏反应和感染其他病毒(如HIV、乙型肝炎和丙型肝炎)的低风险。总体而言,CPT作用可能仅限于治疗选择有限的早期阶段。鉴于CPT的局限性,研究人员越来越关注使用中和mAb对传染病进行被动免疫。

 

 

 

3、开发人类治疗性抗体治疗病毒感染的策略

 

 

 

人类mAb治疗病原体的策略可分为靶向已知抗原和靶向未知抗原。靶向已知抗原的mAb从噬菌体展示文库中筛选,该文库由免疫或感染个体的免疫球蛋白可变基因构建。尽管这些方法已分离出针对多种病原体(例如HIV29SARS-CoV-2和炭疽毒素)的中和抗体,但筛选出的mAb并不代表天然抗体库。

 

 

 

随后开发的第二种靶向方法,是直接分离抗原特异性记忆B细胞,然后识别它们产生的mAb。记忆B细胞可以来自恢复期患者的血浆,或来自携带人类免疫球蛋白基因座的转基因小鼠。

 

 

 

4、抗体工程

 

 

 

mAb进行工程改造以改善其治疗特性被称为是抗体工程,研究表明Fc区域突变会增加或降低ADCC/CDC有效性,减少IgG分解代谢可改善mAb体内半衰期。

 

 

 

工程改造的Fc区域以延长其半衰期的多种抗病毒mAb已进入临床阶段,最先进的是sotrovimab(也称为VIR-7831GSK4182136),使用LS修饰Fc区域氨基酸,由Vir BiotechnologyGSK开发,针对SARS-CoV-2病毒,于2021年获批。Vir Biotechnology还将LS修饰用于VIR-3434,该mAb旨在预防10种乙型肝炎病毒基因型对肝细胞的慢性感染,目前处于II期试验(NCT04856085)。

 

 

 

其他使用LS修饰的抗病毒mAb,包括用于治疗HIVVRC01LSVRC07-523LSelipovimabGS-9722)。VRC01LS是一种由美国国立卫生研究院(NIH)开发的广泛中和mAb,其血清半衰期比未改造的长约四倍,且在血清中显示相似中和活性,目前处于I期试验(NCT02256631)中。

 

 

 

抗体工程还可用于生成新的抗体形式,例如设计用于识别两种不同表位或抗原的双特异性抗体(bsAb)。因此,单个bsAb可以与两种不同蛋白质或同一蛋白质上的两个不同位点结合。目前科学家已开发了广泛的bsAb抗体,特别是应用于肿瘤学,以及传染病研究。

 

 

 

其他可用于抗病毒药物的新型工程抗体形式包括纳米抗体(15kDa),与小鼠和人类抗体结合域(50kDa)相比,仍保留完整抗原特异性。此外,纳米抗体能够合常规抗体通无法触及的表位,如被聚糖掩盖的保守病毒结构域。

 

 

 

最后,锚蛋白重复蛋白(DARPins)等抗体模拟物可以提供高亲和力并和多特异性。例如,由Molecular Partners和诺华开发的一种多DARPinensovibep)能同时与SARS-CoV-2刺突RBD的三个单元结合,目前正在临床试验中(NCT04828161)。

 

 

 

 

 

 


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