抗体生产演化历程丨鼠源到全人源，噬菌体/酵母/转基因小鼠

2025

【抗体药物演化历程】

【单克隆抗体（Monoclonal Antibodies, mAbs）是近年来生物医药领域最重要的治疗工具之一，尤其在肿瘤学、免疫学、自身免疫性疾病等领域取得了显著的临床成果。单克隆抗体的全球销售市场经历了快速的增长，并且在治疗领域中占据了越来越重要的地位。本文就抗体药物的生产历程进行梳理，以飨读者！】

2025

阅读指南

1、天然抗体的结构

2、抗体的生产演化历程: 鼠源到人源

3、基因工程重组技术平台

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看点

【天然抗体的结构】

天然抗体结构示意图 cited by“detaibio.com”

免疫球蛋白（Ig）又称抗体（Ab），是用来标记抗原的蛋白。抗体共有5类：lgM 、 lgD 、 lgG 、 lgA 和 lgE 。

天然抗体的基本结构是一“Y”型的四肽链，由两条重链（H）和两条轻链（L）组成，之间由二硫键相连。

重链和轻链近N端氨基酸序列变化较大，称可变区（V），其他氨基酸序列相对恒定，称为恒定区（C）。

IgG经木瓜蛋白酶酶切后裂解为2个完全相同的Fab段和1个Fc段,每个Fab段都为单价,可与抗原结合但不会再发生凝集反应；经胃蛋白酶酶切后裂解为1个完整F(ab)2片段和碎片化的Fc片段,F(ab’)2片段为双价,可同时结合两个抗原表位。Fab段为抗原结合片段（fragment of antigen binding，Fab），相当于抗体分子的两个臂，由一个完整的轻链和重链的VH和CH1结构域组成。Fc段为可结晶段（fragmentcrystallizable，Fc）相当于Ig的CH2和CH3结构域，是Ig与效应分子或者细胞相互作用的部位。

功能区的作用

VL和VH：结合抗原决定簇（FV区）

CL和CH：具有同种异型的遗传标记

CH2：结合补体

CH3：结合Fc受体单核细胞、巨噬细胞、粒细胞、B细胞、NK细胞

Fab段包含完整的可变区，以及恒定区的CH1区域。Fc段仅指Ig恒定区CH2和CH3的区域，相当于Y字结构下面那一部分。Fab可变区可以用来识别和连接抗原。Fc段可结合巨噬细胞、NK细胞、补体等，通过ADCP效应、ADCC效应和CDC效应杀伤靶细胞。

ADCP

抗体依赖的细胞介导的细胞吞噬作用（Antibody-dependent cell-mediated phagocytosis, ADCP）是治疗性抗体对抗病毒感染或者肿瘤疾病的一种重要作用机制。在体内，ADCP 作用由单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞以及树突细胞通过其细胞表面表达的 FcγRIIa、 FcγRI、FcγRIIIa 介导，其中 FcγRIIa 被认为是 ADCP 作用过程中最主要的 Fcγ 受体。ADCP 作用过程为抗体与疾病细胞表面的抗原特异性结合，随后抗体 Fc 片段与效应细胞（如巨噬细胞）表面 Fcγ 受体结合，诱导巨噬细胞吞噬疾病细胞。

ADCC

抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用（Antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity，ADCC）是一种细胞介导的免疫防御机制，在靶细胞膜表面抗原结合了特异性的抗体的情况下，激活免疫系统的效应细胞进而裂解靶细胞的作用。因其对已存在的抗体的依赖性，ADCC作用是适应性免疫反应的一部分，也是体液免疫反应的一部分，用于限制和消除感染。经典的ADCC作用由NK细胞介导，巨噬细胞、中性粒细胞和嗜酸性粒细胞也能介导ADCC作用。比如嗜酸性粒细胞能通过ADCC作用杀死某些特定的寄生虫。

CDC

补体依赖的细胞毒作用（Complement Dependent Cytotoxicity，CDC）。补体是存在于人或脊椎动物血清于组织液中一组不耐热的，经活化后具有酶活性的蛋白质，共包括30余种可溶性蛋白和膜结合型蛋白。抗体的Fc片段能够结合血清补体分子（C1q），继而形成膜攻击复合物（MAC）清除目的细胞。

可变区：抗体分子的N端存在一段氨基酸序列变化较大的区域，该区域称为可变区。可变区中存在可以与抗原特结合的部位，即抗原结合位点。一个抗体有两个抗原结合位点，可以同时结合两个抗原分子。在可变区中有三个区域的序列高度变化，成为高变区（hypervariable region，HVR）又称为抗原互补决定区（complementarity determining region，CDR）。CDR决定了抗体的独特型（抗独特型抗体表达）。可变区主要通过其3个CHR区形成3个环状结构与抗原特异性结合。可变区中非CDR部分，氨基酸组合和排列相对比较保守，称为骨架区（framework region，FR），其氨基酸组成和排列变化相对CDR较少。可变区中CDR与FR的组成方式为“FR1-CDR1-FR2-CDR2-FR3-CDR3-FR4”。CDR自己可以分为V、D、J三种片段，它们的组合给了CDR超级丰富的变化，我们把这叫做VDJ重组。其中CDR3超变程度更高，抗体的特异性和亲和力成熟主要涉及到该区域的改造。当被抗原激活，生产抗体的B细胞开始迅速增殖，它们编码可变区的基因将会以远超其他细胞的速度开始突变，这种名为体细胞超突变（SHM）的过程使得B细胞每一次分裂产生的后代都微妙地有所不同。随后，辅助T细胞则会对B细胞进行进一步选择，只有那些产生高亲和力抗体的B细胞才能获得资源存活下来，这个过程叫亲和力成熟。

（cited by：omicsspace.com)

(cited by：wikipedia.org Author: Neveu, Curtis)

恒定区：恒定区可以与细胞表面受体或补体系统蛋白相互作用，从而触发宿主效应功能（effector function)，比如裂解入侵细胞或吞噬外来病原。抗体恒定区域位于H链靠近C端的3/4或4/5(约从119位氨基酸至C末端) 和L链靠近C端的1/2(约含105个氨基酸残基)区域。抗体重链恒定区分为CH1，CH2和CH3，其中CH3区域涉及到细胞膜表面受体结合，CH2涉及补体激活途径，是补体结合位点。简单来说，可变区负责识别抗原，恒定区帮助宿主决定如何处置抗原。

抗体的生产演化历程: 鼠源到人源

单抗名字最末尾的mab代表的是单抗，mab前面的1-2个字母里面藏着单抗命名的法则：如果是o，那它就是鼠源抗体；如果是xi，那它就是人鼠嵌合抗体；如果是zu，说明是人源化抗体；如果只有一个u，那就是全人源抗体。

各种类型抗体的结构示意图

（Author：Alexander Kovalenko）

鼠源性抗体

与传统的免疫动物方法制备抗体相比，利用杂交瘤技术，大多数杂交瘤细胞从BALB/c小鼠中产生，可以制备出高纯度的单抗，并且可以进行单克隆抗体的大量生产。但缺点也非常明确：操作步骤繁琐、利用杂交瘤技术生产出的单克隆抗体多为鼠源性，而鼠源性抗体在应用中有诸多问题，例如被人类免疫系统所识别、产生人抗鼠抗体( HAMA）反应、鼠源性抗体半衰期短，需要反复大量使用，又加剧了HAMA反应的产生、在人体循环系统中很快被清除等。

基因工程重组技术平台

人鼠嵌合抗体（human-mouse chimeric antibody）人源Ig恒定区+鼠源Ig可变区。代表药物：利妥昔单抗。2. 人源化抗体（humanized antibody）将鼠源单抗可变区的CDR置换成人Ig的CDR，或者以人抗体为参照，改造替换鼠源单抗表面氨基酸残基，得到镶面抗体。代表药物：曲妥珠单抗。3. 全人源抗体（fully human antibody）将人的B细胞与骨髓瘤细胞融合，以生产全人源的单抗药物的设想由来已久，但一直难有突破，不能将二者融合起来。随着技术的进步，可以采用噬菌体展示抗体库、酵母表面展示技术或转基因小鼠产生全人源抗体。代表药物：阿达木单抗。

噬菌体展示技术

噬菌体展示技术流程图

(cited by: nobelprize.org)

噬菌体展示技术对抗体蛋白的修饰和折叠，与人体细胞差别非常大。一定程度上影响了抗体可变区与抗原的亲和力。有研究表明，对癌症的治疗而言，治疗效果是随抗体的亲和力增加而增加的。而由噬菌体展示技术获得的抗体可变区，其亲和力通常不足以有效治疗肿瘤。因此，噬菌体展示技术获得的抗体往往还需人工优化需要多次提纯才能弥补这个缺陷。为了解决噬菌体展示平台面临的问题，基于真核生物酵母菌的酵母展示平台就出现了。

酵母表面展示技术

酵母表面展示技术原理为将外源蛋白基因与特定的载体基因融合后导入酵母细胞，融合蛋白含有可锚定在酵母细胞壁上的结构，经转录翻译后可将外源蛋白固定化表达在酵母细胞表面。在抗体工程中，利用酵母真核表达系统的特性，将抗体文库蛋白表达于酵母细胞表面，利用磁珠和流式细胞分选技术进行筛选，获得高亲和力或高稳定性的抗体序列。此项技术在各种骨架形式的抗体工程，如单链可变区scFv、抗体结合区片段Fab、全长IgG、骆驼科单域抗体可变区VHH，以及抗体亲和力成熟、抗体稳定性提升、pH稳定性等方面均有广泛应用。

Yeast display 原理与流程

（cited by：https://zhuanlan.zhihu.com/p/497000944）

对于酵母文库筛选，通常经验是采用流式细胞分选法或磁珠筛选结合流式分选的方法。免疫文库通常仅需1轮磁珠筛选结合1-2轮流式细胞分选，通过NGS测序就可获得多株多样性丰富且亲和力高的抗体序列，进一步对多个克隆进行鉴定，之后还可按要求进行多轮亲和力成熟提高性能。

酵母展示平台实现了从原核表达系统到真核表达系统的进步，不过酵母的蛋白质修饰系统与人体依然有不小的差距，这对抗体功能也存在一定的影响。也正是这种差别在一定程度上限制了酵母展示平台的应用。

转基因小鼠

转基因小鼠平台生产抗体的方式，是先破坏小鼠的免疫系统，采用基因编辑技术将人体编码抗体的IgG基因转入小鼠体内，并在小鼠体内最大程度再现人体抗体生产系统，再经杂交瘤技术即可大量生产人源的IgG抗体。另一方面，为了保持抗原可变区的多样性，噬菌体展示和酵母展示依赖于人工引入突变，而转基因小鼠则利用的是B细胞天然自主的体细胞超突变。理论上讲，小鼠作为历经数百万年的进化的生命体产物，其引入突变的方式更优于人工。

转基因小鼠制备全人源抗体示意图

（cited by：cellbiology.med.unsw.edu.au）