【科学普及】纳米抗体——微小战士助力肿瘤攻坚战

原创 韩香凝 细胞世界

作者简介

韩香凝 南方科技大学博士后

研究方向：纳米抗体和传统抗体药物

如果说抗击肿瘤是一场漫长的战役，纳米抗体就像顽强机敏的小战士，在肿瘤诊断、检测和治疗中发挥着重要的作用。

01

什么是纳米抗体

故事要从1993年说起。那年，比利时科学家Hamers-Casterman团队报道了在骆驼的血液中存在一种与常规抗体极其不同的抗体，它们天然缺失轻链，分子量只有12~15 KDa (图一)。虽然体积仅仅是常规抗体的1/10，但纳米抗体表现出的细胞渗透性和亲和力均远超于常规抗体。这引起了科学家们的极大兴趣。

后来，科学家们又在鲨鱼体内发现了类似的小抗体。由于鲨鱼免疫系统的特殊性，鲨源纳米抗体的体积更小，种类更多，耐受极端环境的能力更强，且亲和力更高。

图一：纳米抗体与常规抗体结构的不同及其物种来源

纳米抗体通常通过噬菌体展示技术（Phage display technique）进行开发和制备。简而言之，噬菌体是一种微小的病毒，它能够利用细菌的营养物质进行大量的生长繁殖，因此我们将外源基因插入到噬菌体衣壳蛋白的基因中，就可以让外源基因大量展示在噬菌体的衣壳上。纳米抗体的制备就是通过这样的技术来筛选能够和抗原具有高亲和力的抗体，而且，制备的抗体可以进行原核表达，以获得高产量的纳米抗体。

纳米抗体可以应用于生物研究、肿瘤治疗、疾病诊断，药物递送等，近几年发展迅速，被称为“明星抗体”和“下一代生物技术导弹”。

02

为何纳米抗体备受瞩目

纳米抗体在许多方面都有突出的优势：

（1） 小巧而稳定

纳米抗体仅包含一个单一的抗原结合域，通常仅有约15 kDa的分子量，是目前已知的最小的抗原结合单位。小巧的结构，使得纳米抗体具有高度的热稳定性和化学稳定性。

（2） 高亲和力和特异性

纳米抗体的尺寸很小，通常具有很高的亲和力和特异性，可以与目标分子结合得非常紧密，并且可以选择性地识别和结合目标，减少非特异性结合的风险。

（3） 高渗透性

小尺寸的纳米抗体能够更容易地渗透到组织和细胞中，从而更好地实现对靶标的分布和定位。它们甚至可以深入到传统抗体所不能到达的位置和靶点，如固体肿瘤内部。

（4） 易于大量制备

相比于传统抗体，纳米抗体更容易在细菌或酵母等微生物表达系统中高效表达。既易于生产，又具备高稳定性，这使得筛选和优化具有所需特性的纳米抗体变得更容易和快捷。

（5） 易于改造

它们更容易通过分子工程技术进行改造。例如，可以通过基因工程方法添加或修改特定的氨基酸残基，以改变纳米抗体的亲和力、特异性或者药代动力学特性。纳米抗体可以被设计成多聚体形式，例如通过遗传工程技术将多个不同的纳米抗体或其他基团连接在一起。这种多功能组合可以实现对多个抗原的同时识别或者将治疗分子直接送达目标细胞。

（6） 免疫原性低，易于人源化

纳米抗体相比于传统抗体，其免疫原性更低。而且由于序列简单，它们可以通过人源化过程进行简单改造，以进一步降低免疫原性。人源化涉及替换或修改那些可能激发人体免疫反应的氨基酸序列，使纳米抗体在结构上更接近人类自身产生的抗体。

正因为拥有如此多优点，纳米抗体在研究工具、疾病诊断和检测，疾病治疗等各个领域都能够发挥巨大的力量，极具潜力，尤其是在癌症诊断和治疗领域（图二）。

图二：纳米抗体具有多种优点，在癌症诊断和治疗领域有巨大潜力

03

纳米抗体怎样助力肿瘤攻坚战

纳米抗体像是勇敢机敏小战士，在肿瘤诊断、检测和治疗中均发挥着重要的作用，可以说是各个击破，屡战屡胜。

(1) 纳米抗体在肿瘤诊断中的应用

肿瘤的早期发现和诊断是进行精准抗肿瘤治疗的关键，对于提高患者的生存期至关重要。小分子量的纳米抗体比完整的传统抗体分子更容易穿透到肿瘤核心，更全面地检测靶点分布，而且它半衰期短，在体内可以被快速清除。基于纳米抗体的成像技术，我们可以通过将纳米抗体采用放射性核素标记，靶向肿瘤细胞或肿瘤微环境中过表达的各种调控蛋白或受体，将信号处理转换为图像，以查明放射性标记纳米抗体的定位。68/67Ga或89Zr标记的EGFR抗体7D12是第一个在PET中使用的纳米抗体，在肿瘤诊断中表现优异，显著提高了肿瘤的检出率。2016年68Ga 标记的HER纳米抗体被用于乳腺癌HER2表达的评估，之后，还有两个2期临床在开展中。

近红外荧光团标记的纳米抗体能够快速地靶向、聚集到肿瘤部位，并从肾脏快速排泄。纳米抗体的这些特性显著提高了荧光探针在肿瘤中的精准定位，能够减少负面影响。Lwin等将近红外荧光 IRDye800CW 与抗 CEA 的纳米抗体结合，在静脉注射数小时后的不同时间点对小鼠进行成像。采集结果显示，CEA-Nb-800 在注射后 15分钟内快速成功地标记了表达CEA 的胰腺癌 , 而对照组没有观察到肿瘤的特异性信号，这说明CEA-Nb-800 对表达的肿瘤具有特异性。

（2）纳米抗体在肿瘤治疗中的应用

纳米抗体亲和力高，体积小，渗透性强，比其他类型的药物更容易深入到肿瘤的相关靶点，本身就能作为一种有效药物应用于肿瘤治疗。同时，纳米抗体还可以通过药物偶联被开发为抗体偶联药物制剂，通过纳米抗体将肿瘤药物偶联，可以精准地控制药物浓度，并且通过纳米抗体的靶向性，促使药物更加有效地到达癌细胞。通过这种方式开发的药物由于具有靶向性和药物用量小，能显著降低药物的毒副作用。目前，研究人员已经针对免疫细胞标志物、肿瘤细胞蛋白、受体配体以及肿瘤微环境相关建立了许多重要靶点，开发了纳米抗体治疗工具。譬如商品化产品西妥昔单抗，就是一种特异结合EGFR的人鼠嵌合单克隆抗体。与 Fc 融合的抗 PD-L1 纳米抗体 KN035 (KN035-Fc) 在 NOD-SCID 小鼠体内诱导强烈的 T 细胞应答并抑制了 A375-PD-L1 细胞的肿瘤生长。

目前，人们针对肿瘤微环境已经开发出多种诊断和治疗的纳米抗体药物（图三）。尽管如此，纳米抗体的潜力仍未被完全开发，而且要应用于临床治疗，仍然有很长的路要走。我们期待纳米抗体继续在癌症诊断和治疗中发光发热，不断改变我们对抗全球人类健康之敌——癌症的方式。

图三、肿瘤微环境纳米抗体药物开发靶点 (Elisha R. Verhaar, Andrew W. Woodham, Hidde L. Ploegh. 2021. Nanobodies in cancer. Seminars in Immunology, 52, 101425)

参考文献：

[1] Hamers-Casterman, C., T. Atarhouch, S. Muyldermans, G. Robinson, C. Hamers, E. B. Songa, N. Bendahman, and R. Hamers. 1993. Naturally occurring antibodies devoid of light chains. Nature 363:446-448.

[2] Greenberg, A., Avila, D., Hughes, M. et al. 1995. A new antigen receptor gene family that undergoes rearrangement and extensive somatic diversification in sharks. Nature 374:168–173.

[3] Manman, Liu., Li, Li., Jin, Duo., Yangzhong, Liu. 2021. Nanobody—A versatile tool for cancer diagnosis and therapeutics. WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology e1697.

[4] Elisha R. Verhaar, Andrew W. Woodham, Hidde L. Ploegh. 2021. Nanobodies in cancer. Seminars in Immunology, 52, 101425.

[5] M. Keyaerts, C. Xavier, H. Everaert, I. Vaneycken, C. Fontaine, L. Decoster, M. Vanhoeij, V. Caveliers, T. Lahoutte. 2019. 85TiP - Phase II trial of HER2-PET/CT using 68Ga-anti-HER2 VHH1 for characterization of HER2 presence in brain metastases of breast cancer patients. Annals of Oncology 30:3(25-26).

[6] Lwin TM, Hernot S, Hollandsworth H, et al. 2020.Tumorspecific near-infrared nanobody probe rapidly labels tumors in an orthotopic mouse model of pancreatic cancer. Surgery 168: 85-91.

[7] Zhang, F., Wei, H., Wang, X. et al. 2017. Structural basis of a novel PD-L1 nanobody for immune checkpoint blockade. Cell Discov 3:17004.

原标题：《【科学普及】纳米抗体——微小战士助力肿瘤攻坚战》

阅读原文