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自1975年誕生以來(lái)[1]，單克隆抗體技術(shù)讓人類(lèi)掌握了來(lái)自免疫系統(tǒng)的神奇力量，癌癥等多種疾病的治療范式被徹底改寫(xiě)。
無(wú)論是面對(duì)病原物，還是癌細(xì)胞，單克隆抗體與抗原的高親和力結(jié)合是治病的基礎(chǔ)。因此，在過(guò)去的幾十年里，高親和力結(jié)合被開(kāi)發(fā)治療性抗體的研究人員奉為圭臬[2]。
然而，這個(gè)固有觀念要被打破了！
近日，由南安普頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院Mark S. Cragg領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在頂級(jí)期刊《自然》上發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究成果[3]，讓我們對(duì)抗體親和力與抗腫瘤活性之間的關(guān)系，有了全新的認(rèn)知。論文的第一作者是目前在西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院擔(dān)任研究員的俞曉杰博士。
這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的研究發(fā)現(xiàn)，激動(dòng)型免疫調(diào)節(jié)抗體的親和力與激動(dòng)活性之間不是正相關(guān)關(guān)系，而是呈“鐘型”關(guān)系。也就是說(shuō)，在一定范圍內(nèi)，抗體的親和力升高，它的激動(dòng)活性也會(huì)升高；超過(guò)臨界值之后，隨著親和力的升高，抗體的激動(dòng)活性竟然會(huì)下降。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，激動(dòng)型免疫調(diào)節(jié)抗體的親和力不是越高越好。這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著，我們需要重新審視免疫調(diào)節(jié)抗體的開(kāi)發(fā)理念了！
論文首頁(yè)截圖
親歷免疫治療崛起和新冠疫情大爆發(fā)的我們，對(duì)抗體一定不陌生了。
以抗PD-1抗體為代表的免疫檢查點(diǎn)抑制劑，成為與手術(shù)、化療和放療并駕齊驅(qū)的癌癥療法第四極。免疫檢查點(diǎn)抑制劑屬于信號(hào)阻斷型抗體，已經(jīng)有研究表明，這類(lèi)抗體的親和力越高，阻斷效果越好[4]。針對(duì)病原物的抗體也有類(lèi)似的趨勢(shì)，抗體的親和力越高，中和病毒的效果越好[5]。
不過(guò)，在癌癥免疫治療領(lǐng)域，除了抑制型抗體之外，直接激活免疫的激動(dòng)型抗體也是一大研究方向[6]，例如腫瘤壞死因子受體（TNFR）家族的CD40和4-1BB[6]。激動(dòng)型免疫調(diào)節(jié)抗體與這些共刺激信號(hào)受體結(jié)合之后，或增強(qiáng)或激活人體免疫反應(yīng)。目前這種類(lèi)型的抗體，至少有數(shù)十種處于臨床開(kāi)發(fā)階段。
TNFR家族的共刺激受體[6]
遺憾的是，與抗PD-1抗體等抑制型免疫調(diào)節(jié)抗體不同，目前還沒(méi)有研究探索激動(dòng)型免疫調(diào)節(jié)抗體的親和力如何影響其活力，高親和力是否同樣重要也不得而知。
為了填補(bǔ)上這塊空白，俞曉杰博士以CD40作為主要研究對(duì)象，再輔以4-1BB和PD-1的相關(guān)研究，探索親和力對(duì)激動(dòng)型免疫調(diào)節(jié)抗體活性的影響。
CD40抗體他們選擇的是處于臨床研究階段的ChiLob 7/4。在ChiLob 7/4的基礎(chǔ)上，他們又設(shè)計(jì)了12個(gè)ChiLob 7/4的突變體，并證明這些突變體與CD40的結(jié)合表位與野生型ChiLob 7/4相同，這就排除了結(jié)合表位差異對(duì)抗體激動(dòng)活性的影響。
隨后，他們檢測(cè)了所有抗體與CD40的親和力，發(fā)現(xiàn)它們的解離常數(shù)（KD，數(shù)值越小親和力越強(qiáng)）在5.22到925nM之間，其中ChiLob 7/4的解離常數(shù)是最小的5.22nM（也就是說(shuō)它的親和力最強(qiáng)）。
所有抗體與CD40的親和力比較
接下來(lái)俞曉杰博士以表達(dá)CD40的B細(xì)胞為研究對(duì)象，通過(guò)B細(xì)胞活化標(biāo)志物CD23/CD86的水平評(píng)估B細(xì)胞的活化和增殖情況。
研究結(jié)果出人意料。
與抑制型抗體不同，與CD40親和力低的突變體竟然表現(xiàn)出了更強(qiáng)的激動(dòng)活性。確切的來(lái)說(shuō)，那是一個(gè)鐘型曲線。
從數(shù)據(jù)上看，最具激動(dòng)性的突變體FW-16（KD值從小到大排第9）和CDR-Y102A/Y32A（KD值從小到大排第10）誘導(dǎo)的CD23/CD86表達(dá)，分別比野生型ChiLob 7/4高約26倍和8倍；在B細(xì)胞增殖方面，激動(dòng)性和親和力之間也出現(xiàn)了同樣的鐘形曲線，激動(dòng)性最強(qiáng)的突變體誘導(dǎo)的增殖量高出2倍。
不同突變體的激動(dòng)活性比較
體內(nèi)研究結(jié)果與體外保持一致，低親和力突變體誘導(dǎo)了更高水平的抗原特異性CD8陽(yáng)性T細(xì)胞擴(kuò)增，其中最具激動(dòng)性的突變體FW-16誘導(dǎo)的擴(kuò)增比ChiLob 7/4高8倍。
低親和力突變體誘導(dǎo)的腫瘤特異性T細(xì)胞反應(yīng)，在腫瘤小鼠模型上發(fā)揮了更強(qiáng)大的抗腫瘤免疫反應(yīng)。與具有最高親和力的ChiLob 7/4相比，低親和力突變體CDR-Y102A/Y32A能讓更多小鼠存活下來(lái)。
這些數(shù)據(jù)說(shuō)明，低親和力抗CD40抗體在體外和體內(nèi)都具備強(qiáng)大的激動(dòng)活性，并且與高親和力的ChiLob 7/4相比表現(xiàn)出更強(qiáng)大的抗腫瘤活性。
抗腫瘤活性的比較
在人類(lèi)研究系統(tǒng)中，俞曉杰博士也證實(shí)了低親和力抗體的激動(dòng)活性更強(qiáng)。
那么問(wèn)題就來(lái)了：為什么激動(dòng)型免疫調(diào)節(jié)抗體的表現(xiàn)如此另類(lèi)？背后的機(jī)制究竟是什么？
為了破解這個(gè)謎題，俞曉杰博士做了大量的研究，最后發(fā)現(xiàn)原來(lái)與高親和力抗體相比，低親和力抗體能誘導(dǎo)更高水平的CD40受體聚集。
CD40的聚集為何顯得那么重要呢？原來(lái)抗體的激動(dòng)作用就是受TNFR家族這些受體的聚集調(diào)節(jié)的，聚集一起的CD40越多，信號(hào)越強(qiáng)。更重要的是，這個(gè)過(guò)程不依賴(lài)于抗體Fc段的受體FcγR。熒光顯微鏡觀察到的現(xiàn)象，也證實(shí)了上述發(fā)現(xiàn)。
熒光顯微鏡照片（上）和機(jī)制示意圖（下）
圍繞4-1BB的研究重現(xiàn)了CD40的研究結(jié)果，這說(shuō)明對(duì)TNFR家族的抗體而言，低親和力誘導(dǎo)的強(qiáng)激動(dòng)活性是保守的。
在TNFR家族之外的PD-1的研究中，俞曉杰博士也觀察到了類(lèi)似的現(xiàn)象，高親和力的PD-1抑制劑納武利尤單抗不能誘導(dǎo)PD-1的超聚集，而納武利尤單抗的低親和力突變體則可以誘導(dǎo)PD-1的超聚集。
不過(guò)，我們都知道，PD-1信號(hào)通路被激活之后，給T細(xì)胞傳遞的負(fù)調(diào)節(jié)信號(hào)，會(huì)抑制T細(xì)胞的活性[7]。俞曉杰博士的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了之前的發(fā)現(xiàn)，低親和力的納武利尤單抗突變體會(huì)抑制T細(xì)胞的活性。也就是說(shuō)，低親和力的PD-1抑制劑可能不僅不能治療癌癥，反而會(huì)有利于癌癥的進(jìn)展。
總的來(lái)說(shuō)，俞曉杰博士的這一研究表明，抗體的最佳親和力取決于抗體的應(yīng)用場(chǎng)景。如果是阻斷型抗體，高親和力最有效；如果是激動(dòng)型抗體，那親和力處于中間水平更好。
值得注意的是，到目前為止，針對(duì)TNFR家族的激動(dòng)型抗體治療癌癥的臨床表現(xiàn)令人失望。雖然失敗的原因有很多，但是英國(guó)布里斯托大學(xué)的Christoph Wülfing等發(fā)現(xiàn)，很多激動(dòng)型抗體是高親和力抗體[8]。
或許俞曉杰博士的這項(xiàng)研究成果會(huì)重構(gòu)激動(dòng)型抗體的設(shè)計(jì)思路，讓激動(dòng)型免疫調(diào)節(jié)抗體成為免疫治療的另一支重要力量。
參考文獻(xiàn)：
[1].K?hler G, Milstein C. Continuous cultures of fused cells secreting antibody of predefined specificity. Nature. 1975;256(5517):495-497. doi:10.1038/256495a0
[2].https://www.southampton.ac.uk/youreit/news/2023/02/01/boosting-anti-cancer-antibodies-by-reducing-their-grip/
[3].Yu X, Orr CM, Chan HTC, et al. Reducing affinity as a strategy to boost immunomodulatory antibody agonism. Nature. 2023. doi:10.1038/s41586-022-05673-2
[4].Viant C, Weymar GHJ, Escolano A, et al. Antibody Affinity Shapes the Choice between Memory and Germinal Center B Cell Fates. Cell. 2020;183(5):1298-1311.e11. doi:10.1016/j.cell.2020.09.063
[5].Forthal DN. Functions of Antibodies. Microbiol Spectr. 2014;2(4):1-17.
[6].Mayes PA, Hance KW, Hoos A. The promise and challenges of immune agonist antibody development in cancer. Nat Rev Drug Discov. 2018;17(7):509-527. doi:10.1038/nrd.2018.75
[7].Curnock AP, Bossi G, Kumaran J, et al. Cell-targeted PD-1 agonists that mimic PD-L1 are potent T cell inhibitors. JCI Insight. 2021;6(20):e152468. doi:10.1172/jci.insight.152468
[8].Wülfing C, Dovedi SJ. For optimal antibody effectiveness, sometimes less is more. Nature. 2023;614(7948):416-418. doi:10.1038/d41586-023-00244-5
本文作者丨BioTalker
