提高抗体人源化效率的设计流程

在已经上市和正在研发的抗体药物中，人源化抗体药物占据了很大的比例。这些人源化抗体主要是通过改造非人源抗体开发出来的。非人源抗体通常会引起人体的免疫反应。这种抗体药物免疫反应通常会引起药物的药代动力学变化、减少药物的半衰期、降低药物的疗效，甚至带来副作用。
为了减少非人源抗体引起的免疫反应，通常会对抗体药物进行人源化设计。通过移植非人源抗体的互补决定区(complementarity determiningregion，CDR)到人源框架上，可以保留抗体药物对靶分子的识别作用，减小非人源抗体重链可变区(variable heavy chain，VH)和轻链可变区(variablelight chain，VL)框架区域引起的免疫反应。目前常用的CDR移植方法主要有两种，分别是基于抗体文库的筛选方法，以及基于计算机辅助抗体人源化的筛选方法。

抗体文库筛选方法的基本原理是通过克隆非人源抗体的CDR序列到人源抗体框架文库中，表达CDR移植的人源VH和VL抗体，从中筛选出能与靶分子结合的抗体。该方法的优点是可以直接大规模筛选出与靶分子结合的人源化抗体；其缺点是实验工作量大，需要大规模鉴定出具有亲和力的人源化抗体，实验成本和人力成本高，成功率低。

计算机辅助抗体人源化的基本原理是通过非人源抗体序列相似性筛选人源VH和VL框架序列，构建人源化抗体结构模型，计算人源化抗体结构稳定性，筛选VH和VL组合类型，实验验证人源化抗体与靶分子的亲和力。该方法的优点是通过大量计算排除了结构不稳定的人源化抗体，实验只需验证少数的VH和VL组合类型。

中国科学院生物物理研究所研究人员提出了一种基于结构稳定性的抗体人源化筛选方法，通过结构模拟，实现抗体CDR移植和框架区域人源化；对人源化的抗体进行结构优化，计算VH和VL的链内和链间结合能；比较不同人源VH和VL组合类型的链内和链间结合能，从中筛选能量最优的组合类型。

使用CDR移植方法，排除了移植导致的抗体VH和VL链内和链间结合能过高的结构模板。使用人源化框架筛选方法排除了不同人源抗体VH和VL组合方式导致的抗体VH和VL链内和链间结合能过高的组合类型。通过使用VH和VL的链内和链间结合能筛选出的人源化抗体VH和VL组合类型，能有效预测实验结果。

通过VH和VL序列搜索抗体结构数据库，筛选序列相似性排名靠前的抗体结构模板进行CDR移植，对CDR区域进行主链和侧链模拟，CDR区域移植成功后，根据抗体序列搜索人源序列数据库，筛选排名靠前的人源序列组合类型，突变抗体框架序列，使其与人源序列一致，对框架区域进行主链和侧链模拟，计算VH和VL结构域的链内和链间结合能，筛选出排名靠前的人源序列组合类型。

在这个实验过程中，有两个关键的技术瓶颈。

第一个是从人源抗体文库中筛选出具有一定活性的CDR移植VH和VL组合类型。该步骤的实验量大，人力成本高，成功率低。为了减少实验工作量，研究者通常会使用序列同源性对VH和VL组合类型进行初步筛选，然后通过少量的实验工作从候选的VH和VL类型中筛选出具有一定亲和力的人源框架。研究表明，高序列相似性并不会导致高结构相似性。因此，从序列相似性排名靠前的少量VH和VL组合类型中筛选人源框架具有较高的失败率。如何从大量的人源序列组合类型中筛选出结构相似性排名靠前的VH和VL序列组合类型，成为计算机辅助抗体人源化设计的重要目标。

筛选VH和VL组合类型之前，需要确保抗体模板的CDR空间结构保持稳定。这些CDR空间结构稳定的抗体模板保证了筛选到的VH和VL组合类型不会影响CDR的空间构象。通常情况下，待预测抗体的CDR空间构象是没有的，如何通过非人源抗体的序列重建抗体的CDR空间构象成为了重要的技术瓶颈。

参考文献：

1. ZHONG Qiang.A computational antibody humanization pipeline based on the structural stability of antibody.[J]China Academic Journal Electronic Publishing House.2022, 42(1): 135-147
2. Lu RM, Hwang YC, Liu IJ, et al. Development of therapeutic antibodies for the treatment of diseases. JBiomed Sci, 2020, 27(1): 1-30

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