抗体展示技术为抗体药物开发提供了基础的早期技术平台。时至今日,抗体展示技术得到了多样化的发展,除了已经有数十年历史的噬菌体展示(Phage display; Pd)技术,人们还开发了大肠杆菌展示(Bacteria display; Bd)、酵母菌展示(Yeast display; Yd)、核糖体展示(Ribosome display’ Rd)以及DNA展示(DNA display; Dd)等各具特色的技术平台。其中噬菌体展示由于发明早,是市面上应用在抗体工程或纳米抗体发现领域中最多的技术,紧随其后的是酵母菌展示。Pd和Yd最大的优势在于库容量巨大,Pd可以轻松达到1011,Yd也可以达到1010。然而,作为以原核表达体系或低等真核表达体系为基础Pd和Yd在巨大的库容量优势之外却有着难以克服的劣势。首先,原核或低等真核表达体系的PTM与人类差别很大,尤其是噬菌体,甚至在密码子的倾向性上,原核表达体系也与人类有巨大的差别。其次,噬菌体由于体积过小无法使用流式分析。另外,Pd和Yd对于展示其上的抗体构型有相当大的限制,通常以scFv构型的抗体为主;虽然Fab构型抗体也能在这两个体系中表达,但表达量相比scFv更低,而全长IgG或其他类型的抗体或蛋白则基本无法在Pd或Yd中良好展示。因此,一种在成药性以及抗体构型灵活性上都更加优秀的展示技术,哺乳动物细胞展示(Mammalian cell display; MCd)应运而生。在克服基因整合数量方面的困难后,哺乳动物细胞展示技术展现出巨大优势,使抗体发现和抗体工程的技术范畴拓展至无限可能。
Figure 1. 哺乳动物细胞展示的优势。哺乳动物细胞具有同人类相似甚至相同的PTM,高度进化的质控系统,以及不受限制的抗体/蛋白构型。
MCd的优势体现在方方面面。首先,MCd对于展示其上的抗体或蛋白没有构型限制。受益于哺乳动物细胞中Chaperon的辅助,各类蛋白都能轻易表达,进而展示在细胞膜表面。在抗体和蛋白工程领域,不仅能够展示传统的scFv构型的抗体,还可以对full-length IgG、full-length sdAb、TCR、non-antibody receptors以及Fc-fused/naked ECD进行高效的展示及筛选(Fig.1)。其次,MCd筛选得到的抗体可成药性更高。高等真核细胞的PTM与人接近甚至相同,再加上哺乳动物细胞的培养条件与抗体药开发下游的CMC甚至临床治疗环境非常类似,在筛选过程获得的抗体能够很好的通过更严苛的可成药性检验。同时,哺乳动物细胞具有高度进化的质控(Quality control; QC)系统,包括ER QC、Golgi QC以及Membrane protein QC(Fig.2)。ER QC及Golgi QC可以去除结构和修饰错误的蛋白(抗体),使其在上膜之前即被降解,而Membrane protein QC可以去除成功上膜但热稳定性不高、疏水性强或聚集性高的抗体分子,因此,“问题”抗体或蛋白在展示过程中、筛选之前就已经天然地被细胞降解、消除,从而保证了通过筛选得到的抗体分子优秀的各项理化性质,提高筛选抗体的可成药性。酵母菌作为低等真核生物,虽然也具有一定程度的ER和Golgi QC,但缺乏Membrane protein QC,使得Yd在可成药性上无法与MCd媲美。最后,Pd和Yd最容易被忽视的不足之处在于序列特异性的问题。虽然Pd和Yd的库容量大,但这两种展示技术在筛选序列的特异性上表现平平,这使得库容量大的优势在一定程度上被低特异性瓦解,换句话说,Pd和Yd的“有效库容量”并不容易达到理论上限。相反,MCd的序列特异性达到80%-90%,甚至更高,因此在很大程度上弥补了库容量低的劣势。而无论理论还是实践中,107的库容量对于抗体工程来讲绰绰有余,对于抗体发现也是足够的。
Figure 2. 哺乳动物细胞展示确保高可成药性:QC系统。ER和Golgi均可通过蛋白酶体(Proteasome)对“问题”蛋白进行降解,也可通过自噬体(Autophagosome)进入溶酶体(Lysosome)进行降解。对于不稳定的膜蛋白,可以通过内吞的形式将聚集蛋白运输至溶酶体降解。
当然,虽然在构型和成药性上处于明显的劣势,Pd和Yd依然具有一定的优点,除了库容量大,其成本较低、周期略短的特点也是客户会考虑的重要因素。噬菌体展示、大肠杆菌展示、酵母菌展示以及哺乳动物细胞展示具体的优缺点对比详见表1。
表1. 各展示技术优缺点对比
由于抗体/蛋白构型不受限制,纳博生命科技的哺乳动物细胞展示平台已经在多个领域得到技术验证,包括对全长IgG、纳米抗体、TCR的亲和力成熟,抗体的人源化及犬源化等等。甚至通过技术优化,纳博生命科技成功使用哺乳动物细胞展示筛选获得CD16a特异性的抗体,从各个方面纳博哺乳动物细胞展示技术的实用性、灵活性以及特异性。
纳博生命现拥有覆盖抗体开发到抗体发现再到抗体工程的全链路技术平台,包括噬菌体展示、大肠杆菌展示、哺乳动物细胞展示等筛选平台,VLP和Nanodisc等膜蛋白制备平台,以及mRNA制备及免疫平台。通过多平台的交叉互补,为药企及科研院所提供灵活的抗体发现及改造服务,助力药物、试剂的研发。
纳博生命哺乳动物细胞展示技术可进行全谱系构型的筛选,并拥有天然的强大质控系统,可应用于多种科研场景,为广大科研院所及生物制药企业提供优质的抗体表达服务。具体服务流程如下图:
案例展示
应用场景1:抗体发现-亲和力与特异性兼顾
CD16a与 CD16b 的胞外区高度同源,仅有6个分散的氨基酸不同。通过哺乳动物细胞展示为基础的筛选获得了与CD16a有较高亲和力,但不结合CD16b的纳米抗体。
应用场景2:亲和力成熟
通过突变CDR3中的一个氨基酸后可使该单克隆抗体的亲和力大幅提升(100倍)。
突变后的单克隆抗体提升了目标抗原亲和力的同时保留了对人抗原的亲和力。
突变后的单克隆抗体提升了目标抗原亲和力的同时保留了对人抗原的亲和力。
应用场景3:人源化
通过人源化抗体库筛选高亲和力分子,确保维持并提升人源化分子的亲和力。
通过ELISA及流式对比母本分子和改造后分子的抗原结合能力。
应用场景4:犬源化
哺乳动物细胞展示保持了犬源化后的抗体亲和力。
应用场景5:抗体生物学功能优化(中和活性)
通过亲和力成熟优化后的抗体,对于靶点的亲和力及中和活性得到了优化。
纳博生命专注于纳米抗体的开发、改造与应用,拥有符合实验动物标准的羊驼繁育基地与独立实验基地。致力于构建产、学、研一体化的实验公共服务平台。希望能为广大生物科研机构、医药研发企业和创新团队提供更专业、性价比更高的实验服务。同时,纳博生命也正在对文中提及的纳米抗体进行开发研究,欢迎各方研发人员与我们交流联系。
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