抗体纳米笼：更高、更快、更强的抗体设计方案

撰文丨十一月

责编丨酶美

抗体可以以高特异性和高亲和性结合靶标，并且被广泛用于临床治疗和生物研究【1】。目前制造多价抗体呈递形式的技术包括将多个抗原结合片段链连接在一起、五聚体免疫球蛋白M及其衍生物、与无机材料结合的二聚体免疫球蛋白IgG或蛋白质低聚物或纳米颗粒【2，3】。但这些方案通常步骤复杂，而且关于纳米颗粒的应用中很难确保IgG在颗粒表面的均匀分布以及阻止IgG的异常凝聚。因此，如果能精确控制应用其中的纳米颗粒的几何形状和组成，将对许多现有的IgG抗体为基础的蛋白质纳米颗粒提供更广泛的应用范围。

为了解决这一问题，美国华盛顿大学David Baker研究组再发Science力作，题为Designed proteins assemble antibodies into modular nanocages论文。研究开发了一种新型的蛋白质设计方法，将抗体融合在规则的纳米结构之中，可能会对信号传导以及临床方面的应用大有裨益。

有了关于抗体纳米笼（Antibody nanocages）的设想，作者们首先试图进行蛋白质设计，使任意抗体装配成具有明确结构的对称装配。Baker实验室先前的经验可以这帮助提供一些计算机设计的融合结构以及循环对称轴的结构【4】。据此，作者们提出了一个可以相互融合的、建筑单元模块式的组装纳米笼结构，其中包括抗体的Fc结构域，螺旋重复的连接子（Connector）以及循环寡聚化形成模块（图1）。Fc结构域负责结合和定位抗体二聚体，循环同源寡聚体形成纳米笼中的第二个对称轴，而连接子负责把抗体部分和同源寡聚体的对称轴部分以正确的轴向相连接，由此形成抗体纳米笼结构（图1）。

图1 抗体纳米笼设计方案

随后作者们又对链接两大融合模块的建筑单元之间的连接子进行了进一步地优化，以确保该抗体纳米笼可以折叠成为设计的结构。在细菌中培养并表达编码这些设计的合成基因，可以根据需要将纳米笼的结构进行匹配，比如形成二面体、四面体、八面体以及二十面体架构，可以在其中包含2个、6个、12个甚至于30个抗体（图2）。该设计大大增加了容纳的抗体种类同时会显著提高对于细胞信号转导的影响。

图2 不同形状的抗体纳米笼以及抗体纳米笼与游离的抗体相比对于信号转导更有效

为了进一步证明该抗体纳米笼的效用，作者们用该技术靶向细胞表面的DR5（Death receptor 5）受体介导的细胞凋亡、血管生成素介导的血管生成过程、CD40的激活以及T细胞增殖过程中的信号转导过程分别与游离的抗体的效果相比较，可以发现抗体纳米笼可以显著提高抗体的信号转导能力。

图3 抗体纳米笼用于SARS-CoV-2假病毒的中和

另外，由于新型冠状病毒SARS-CoV-2在全球的肆虐，目前科研界正在投入大量精力开发针对SARS-CoV-2刺突蛋白的抗体，用于当前COVID-19大流行的预防和治疗【5】。作者们提出，如果将SARS-CoV-2抗体组装到纳米笼中，可能会通过增加对病毒颗粒的结合增加它们的中和能力。的确，作者们发现八面体抗体纳米笼对于SARS-CoV-2假病毒的中和效果的确会更好（图3）。该结果提示我们，纳米抗体笼的应用可能对于遏制COVID-19在全球的肆虐非常重要。

总的来说，该工作设计出了多种抗体纳米笼结构，可以精确地将任何的结合抗体具体到几何形状可控的抗体纳米笼之中。只需要将目的抗体与相应设计的多面体蛋白结构相融合即可方便容纳多种抗体，而不需要对抗体进行复杂的共价修饰。另外，抗体纳米笼的使用可大大增强抗体在一系列细胞系统中信号转导的生物活性。未来该技术将在科学研究和医学应用上大有作为。

原文链接：

https://doi.org/10.1126/science.abd9994

参考文献

1 Lu, R. M. et al. Development of therapeutic antibodies for the treatment of diseases. Journal of biomedical science 27, 1, doi:10.1186/s12929-019-0592-z (2020).

2 Laursen, N. S. et al. Universal protection against influenza infection by a multidomain antibody to influenza hemagglutinin. Science (New York, N.Y.) 362, 598-602, doi:10.1126/science.aaq0620 (2018).

3 Kang, H. J. et al. Developing an antibody-binding protein cage as a molecular recognition drug modular nanoplatform. Biomaterials 33, 5423-5430, doi:10.1016/j.biomaterials.2012.03.055 (2012).

4 Bale, J. B. et al. Accurate design of megadalton-scale two-component icosahedral protein complexes. Science (New York, N.Y.) 353, 389-394, doi:10.1126/science.aaf8818 (2016).

5 Rujas, E. et al. Multivalency transforms SARS-CoV-2 antibodies into broad and ultrapotent neutralizers. 2020.2010.2015.341636, doi:10.1101/2020.10.15.341636 %J bioRxiv (2020).