IgG 亞型結構、生理活性等匯總整理

2019-05-05 14:36 嚴國樑
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【小編化工出身,誤打誤撞進入了生物制藥行業,作為大半個門外漢,只能苦逼的慢慢學習一些基礎的專業知識,趁著給公司寫公眾號的機會,整理下看到的文獻中、微信上感覺不錯的東西。若有表述不妥的地方,敬請指正】


抗體根據重鏈(H) 恒定區(C) 分子結構的不同可分為IgG(單體)、IgA (單體~四聚體)、IgM (五聚體)、IgD (單體)和IgE(單體) 5 類,其H鏈C區分別為γ、μ、α、ε和δ五種。每類的成員稱之為具有同樣同種型(isotype)抗體。

Fig.1. 抗體的不同類型


IgG可根據其在血清中的分布豐度進一步分為IgG1(60%)、IgG2(25%)、IgG3(10%)、IgG4(5%) 4種亞型,它們的恒定區序列高度同源,但是各亞型與抗原結合、免疫復合物的形成、補體激活、觸發效應細胞、半衰期和胎盤轉運特性均具有特異性。4種IgG亞型其恒定區的CH2區不同、鉸鏈區的核心CXXC序列組成不同,重鏈和輕鏈之間的二硫鍵連接方式也不同,見Table.1。在結構與功能效應上IgG1和IgG3與Fc受體的親和力高于IgG2和IgG4,具有更強的激活抗體依賴的細胞毒性及補體依賴的細胞毒性的能力;IgG2和IgG4亞型具有阻礙或抑制的效應功能。另外,各亞型生物功能也各有側重,IgG1和IgG3主要結合蛋白質抗原,IgG2結合糖類抗原,IgG4則響應慢性刺激并且具有抗炎的活性。

Table1 IgG各亞型的結構和功能差異


本文梳理4種IgG抗體亞型的結構、生理活性的區別,進而討論其在重組抗體藥物開中的應用。早期基于IgG1的抗體為研發主流(基于CDC,ADCC等),見Table.2,但近年來隨著新適應癥的拓展、新作用機制抗體藥物的發現,尤其是基于免疫檢查點的研究,IgG2、IgG4亞型的應用逐漸增多。

Table 2. List of approved monoclonal antibodies for tumor therapyand their isotype/subclass before 2015


IgG1是血漿中含量最多的一種亞型。Brüggemann et al在30年前在分析這幾類不同的亞型在CDC和ADCC方面的潛力時就發現IgG1是腫瘤免疫治療中最具潛力的亞型,而且由于人IgG1也能夠有效結合鼠源Fcγ受體,因而在小鼠體內模型中也能夠觀察到明顯的效果。同時由于這種有效結合,其在體內的血清半衰期時間較久。從工業化角度看,IgG1能夠在雜交瘤細胞(CHO)中高表達并可用高效經濟的方式進行純化(Protein-A),同時具有較高的穩定性。


這些特征都決定了IgG1是一種比較理想的可工業化生產(GMP)的抗體。IgG1是現階段最常被使用的Fc亞型,科學家在此基礎上通過Fc工程化策略來優化其功能特性,穩定性和藥代動力等特征。FDA在97年批準的第一款用來治療腫瘤的治療性抗體藥物rituximab(CD20)使用的就是IgG1,在此后,大量的基于IgG1的藥物上市。


IgG2主要用來中和抗原或阻斷受體配體的結合,其CDC和ADCC效應表現非常弱,在早期基于其上市的僅為EGFR抗體。但隨著免疫檢查點研究的興起,越來越多的基于IgG2的藥物進入臨床并上市,見Table.3。IgG2雖然和C1q的結合比較弱,但當抗原或抗體溶度較高時仍舊可以引發CDC效應,同時IgG2是唯一可以結合FcγRIIa (CD32a)的亞型,而且這種結合可以通過單核苷酸多態性(SNP)進行調節,這種多形性可影響IgG2的功能活性。因而FcγRIIa高親和力變異體(131-His)經髓系細胞介導后可誘導Anti-CD3-IgG2介導的T細胞活化和增殖。不僅如此,人IgG2 EGFR抗體(panitumumab)能夠通過髓系細胞介導ADCC效應。

IgG3有一個延長的鉸鏈區域,其核心鉸鏈區有11對二硫鍵,因此對于蛋白酶切割不穩定。IgG3與FcγRs的結合能力最強,能引發ADCC和ADCP,且CDC效應比IgG1更強。但IgG3的半衰期更短,其R435不同于其他IgG分子的H435,這影響了其與FcRn的結合,考慮到藥代動力學需要更頻繁的給藥,因而很少選擇用來開發抗體藥物。同時從經濟角度來看,IgG3抗體無法用現階段工業化常用的Protein-A來進行純化,且易形成多聚體,這無疑會大大增加純化成本,這進一步抑制了基于此亞型的抗體開發。

IgG4分子的鉸鏈區較短,且其與FcγRI(CD64)之外的FcγRs結合較弱。IgG4分子不能引起CDC和NK細胞介導的ADCC,但是能引起巨噬細胞介導的ADCP。在體內,IgG4分子會經歷Fab-arm交換的過程,從而形成半分子以及雙特異的功能單價的抗體,這可能解釋IgG4在健康人和疾病患者中生物和病理生理學性能。這種性狀為開發雙特異性抗體提供了一種新的思路。但S228P能夠穩定IgG4分子,阻止半分子的形成。以免疫檢驗點抑制劑為例,PD-1/PD-L1通路理論上是以PD-1抗體或者PD-L1抗體阻斷該通路,解除對T細胞等的抑制,從而殺死細胞。該作用機制不同于以往抗癌抗體等依賴ADCC活性等殺死細胞的機制,因此PD-1抗體Opdivo、Keytruda在設計時采用了ADCC活性弱的IgG4亞型,PD-L1抗體Tecentriq采用了IgG1亞型但采用抗體工程去除了糖基化,亦沒有ADCC活性。


表三應用IgG2、IgG4亞型的已上市抗體藥物


由于抗體藥物的各種作用機制相互影響,非常復雜,比如理論上ADCC活性也可以和PD-1/PD-L1通路產生協同殺傷癌細胞的作用。選擇何種亞型更多的情況是在安全性與有效性之間平衡,這有待于積累更多臨床經驗并進一步了解其作用機制網絡。


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