抗体头对头：全长 VS 片段 VS 双抗！

截至2024年5月，FDA批准了127种抗体药物用于治疗免疫和癌症等疾病，这些药物约80%是传统的全长单克隆抗体(mAb)。

但工程化的抗体药物正引起越来越多药厂的兴趣。

与标准mAb比，它们分子量更小、临床上具有更广泛的应用场景。

如，抗体片段可开发成多特异性形式，针对不同靶点或同一靶点的多个表位。又因可在简单的原核或酵母系统中高产量表达，因此生产成本会大大降低。

此外，由于扩散速率高，较小的抗体片段组织渗透能力更强，可以用于靶向实体瘤和眼部疾病，也能够更有效地跨越血脑屏障，开发成针对阿尔茨海默病或帕金森病等中枢神经系统 (CNS) 疾病的药物。

与传统mAb相比，片段抗体的一个缺点是半衰期普遍较短，因为它们缺乏Fc或者其他延长半衰期的结构，分子尺寸小，肾脏清除很容易。

工程化抗体开发的一个主要挑战是与全长mAb相比，其稳定性较差，这可能是因为这些分子并非天然进化而来的原因。

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研究概述

在一项研究中，研究者们针对肿瘤坏死因子 (TNF) 靶点，构建了64种不同类型的抗体，并对它们进行了系统地分析。

这些抗体涵盖了8种不同的分子形式，包括全长抗体、各种类型的单链可变片段和双特异性抗体。

通过测量与活性、制造和稳定性相关的15种生物物理特性，并使用AI计算对抗体的可开发性进行了评分。

图注：研究者基于两种商业化的TNF抗体（阿达木单抗和培塞立珠单抗）构建了研究用抗体类型库，该库包含11种常规IgG抗体、5种scFv、11种串联scFv、8种双抗体化合物、6种scFv-Fc-scFv 化合物、4种scFv-Fc化合物、7种mAb-scFv化合物、4种Fab-scFv-Fc以及8种双特异性抗体化合物。

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初始生物物理特性评估

首先对各个分子的效力进行了测试，结果发现所有形式的抗体分子均具有较高的效力。但与其他形式比，scFv和scFv-scFv的效力有所提高。

接下来，使用表面等离子体共振（SPR）分析了Fc-FcRn的相互作用，具有Fc结构的所有的抗体形式没有观察显着差异。

同时还表征了与大规模生产制造相关的特性：纯度和聚集。 结果如下图所示，其中双特异性抗体的纯度较低。这可能是双抗药物开发的重大挑战，因为需要额外的纯化步骤，这会导致成本增加和收率降低。

图注：不同形式抗体的生物物理特性。该图显示了在开发的早期阶段评估的抗体分子关键特性。线条表示一组中分子的平均值。虚线表示所有分子的平均值。绿色、黄色和红色背景分别表示良好、中等和差。

03

生物物理稳定性

研究者表征了这些抗体的热稳定性、胶体稳定性和界面稳定性。这些特性是分子体积、界面构象和胶体稳定性的指标，与抗体单体的失活和免疫原性风险增加相关。

根据熔解温度（Tm）和聚集起始温度（Tagg）来表征常规抗体和双抗的热稳定性。

作为胶体稳定性的衡量标准，我们通过动态光散射（DLS）评估了除 diAbs 和 scFvs 之外的所有分子的自相互作用参数（kd）。

界面稳定性通过经典搅拌应力测定和纳米颗粒测定中单体损失作为评估依据。

结果发现，不同形式的抗体分子对于测试参数具有不同的值，而且在同一组的分子之间可以观察到很大的变异性。

总体而言，传统mAb具有更均匀的值，平均性能优于其他形式抗体。

图注：热稳定性以熔解温度（Tm）和聚集开始温度（Tagg）表示，胶体稳定性以不同分子的自相互作用参数（kd）表示。界面稳定性在经典搅拌测定和纳米颗粒测定中测量为单体损失。线条表示平均值。虚线表示所有分子的平均值。绿色、黄色和红色分别表示良好、中等和差。

04

长期稳定性

在4°C、30°C和40°C下放置1年后，从片段化和聚集的角度评价整个文库的长期稳定性。

使用SE-HPLC来测量和评估残留单体、片段、可溶性和不溶性聚集体。

结果发现，在 4°C 下未观察到所有分子的变化。在30°C下，除scFv-scFv片段外，大多数形式的抗体在聚集方面是稳定的，少数几个分子观察到5-8%的片段化。

在40°C的加速条件下可以观察到明显的分子聚集和片段化，全长mAb的表现要好于片段和双抗。

图注：长期稳定性数据。在30°C和40°C下孵育一年后测得的聚集体（HMWP）、片段（LMWP）和完整单体（Mon）的百分比。线条表示一组中分子的平均值。虚线表示所有分子的平均值。绿色、黄色和红色分别表示良好、中等和差。

05

AI计算成药性

上述的试验结果显示不同形式抗体和同一形式抗体的不同突变体的特性存在很大差异。研究团队最后 使用AI计算的方法对抗体的实验数据和可开发性进行预测和排名。

使用Therapeutic Antibody Profiler （TAP）工具将实验结果进行建模， 通过将计算出的抗体的生物物理特性与在临床阶段治疗分子（CST）中观察到的分布进行比较来评估可开发性潜力。

该工具为每个属性提供高（红色）、中（琥珀色）和低（绿色）风险标志。最后计算结果如上图所示。

虽然TAP在区分序列的空间结构性能未经测试，且本研究中的变体相对于所有CST的序列多样性较低，但TAP预测在生化和生物物理测定之间存在一定程度的一致性。

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结论

除常规mAb外，小分子量的工程化抗体药物越来越受到药企的重视，这包括VHH和其他小的配体及许多其他涉及Fc的融合蛋白。

本研究发现，平均而言，工程化的构建的抗体比传统抗体具有更高的不稳定性，尤其是在聚集和分子片段化方面。

此外，本研究展示了计算机预测TAP在工程化抗体成药性预测方面的能力。尽管存在一定的局限性，但是解决抗体药物稳定性的一个重要的发展方向。