App Str-02 抗体设计与改造

在计算机分子模拟理论方面，本团队具有雄厚的实力及丰富的从业经验，能够在很短的时间内搭建起计算机酶分子改造平台，并以此为基础完成高质量的蛋白质结构模建、结合模式预测、分子对接以及蛋白质设计工作。除了掌握业界常用的各种主流蛋白质模拟软件的理论原理及操作，我们还拥有多款原创的分子模拟程序，可以完成各种特有的、高效的分子改造工作。

基于抗原功能表位的抗体库设计

以往的抗体库设计主要依赖于统计分析和实验数据的支持，但用这种方法设计出来的抗体库包含了过多的无用信息，使得抗体库的复杂度较高，因此给抗体的筛选带来了很多不利的影响。此外，通过传统方法筛选出的抗体特异性得不到保证，因此也就不能保证其药效。很多时候，通过传统方法筛出的抗体虽然具有较高的亲和力，但是却在随后的动物实验中惨遭淘汰。为解决上述两个问题，可以借助基于抗原功能表位的抗体库设计方法。

首先，可对统计信息和实验数据进行计算机模拟分析，将这些经验数据还原到具体的抗体模型上，对每一个位置进行包括特异性、亲和力及稳定性的评价，根据所得信息，构建库容量相对较小，有效克隆的比例较高的高质量的抗体库，从而大幅提高筛选效率。其次，可采用抗体库从头设计方法。在开展大量实验工作之前，利用计算机模拟技术设计出针对每一特定功能表位的若干可能有活性的抗体，然后将这些抗体序列进行比对，并以此为基础设计出复杂度较低但却不失特异性的全新抗体库。利用该方法，可以在很大程度上解决筛出的抗体特异性较差的问题，并可在一定程度上减少后期开发风险。

抗体从头设计

在已知抗原晶体结构，或者可获得较高精度抗原模型的前提下，可以利用计算机模拟方法，设计出针对于该抗原的全新抗体。该技术的主要优势在于，只要已知抗原结构，即可较快的获得具有一定亲和力的亲本抗体。更重要的是，利用该技术，我们可以选定特定的抗原表位进行抗体设计，因此，设计出来的抗体可以保证其生物学活性。抗体从头设计技术作为一项较新的技术，由于其效果尚未被完全发挥出来，目前在国际上应用还不十分广泛，而在国内的应用尚未见报道。我们作为国内计算机辅助抗体设计的先行者，已经掌握了该技术的核心内容，这对于今后5-10年内的发展具有潜在的推动作用。

计算机辅助抗体亲和力成熟

除了传统的噬菌体展示（Phage Display）技术外，我们还拥有一系列行之有效的计算机辅助抗体亲和力成熟技术，主要包括：虚拟丙氨酸扫描、虚拟饱和突变、基于刚性骨架（fixed-backbone）的设计、基于柔性骨架（flexible-backbone）的设计。其中虚拟丙氨酸扫描和饱和突变可以快速定位适合改造的位点和残基类型，刚性/柔性骨架设计则可以在前一步扫描的基础上，对设计位点和残基类型进行组合和打分排序，并zei终确定一条或多条亲和力提高的序列。

计算机辅助人源化

目前，国内单克隆抗体的研发主要还是依赖于杂交瘤技术，因此鼠源抗体人源化就成为了其中一个不可或缺的环节。一般来讲，人源化技术可分为四类：可变区嫁接，形状重塑（re-shape），表面重塑（re-surface）和CDR区移植。

可变区嫁接是zei简单、zei直观的人源化方法，其核心思想是把鼠源亲本抗体的可变区直接嫁接到人抗体的恒定区上。这种方法的优点是便于操作，且一般不会大幅破坏亲本抗体的亲和力；其缺点是在框架区内保留了大量的鼠源残基，使得其免疫原性较强。

形状重塑是在可变区嫁接技术上发展而来的，其核心思想是尽可能的替换掉鼠源抗体可变区中的鼠源残基。该方法可在一定程度上降低免疫原性，但由于替换内部包埋残基可能会对抗体的整体折叠架构有一定影响，因此其代价是可能部分甚至完全的破坏亲本抗体的特异性与亲和力。

表面重塑较之形状重塑技术更进一步。该技术仅要求替换位于表面的鼠源残基，一般不会对亲本抗体的折叠架构产生影响，因此对亲和力的影响也较小。但与其前身形状重塑相比，在抗体内部保留了较多的鼠源残基，因此当抗体在体内被血清蛋白酶降解后，也可能产生一定的免疫原性。

CDR区移植技术是当前应用zei广泛的人源化技术。其核心思想是将鼠源抗体的六个CDR区移植到合适的人源抗体框架上，以此来zei大程度上降低其免疫源性。该技术虽然可以极大地降低免疫原性，但也往往会对亲和力及特异性产生巨大的影响。

应用精确的抗体模建技术，我们可以准确定位各个关键氨基酸残基的位置，因此可以在保证亲本抗体亲和力不受太大影响的情况下实现抗体的zei大人源化。

计算机辅助抗体稳定性、表达量与溶解性改造

在单克隆抗体药物研发过程中所面临的重大难题之一就是如何提高其稳定性。倘若抗体稳定性不够，则会导致保存时间短、体内半衰期短甚至药效不够理想等一系列问题。一般说来，抗体的稳性越高，则其新生肽链在细胞内装配时产生错折叠（mis-folding）的概率越低，从而可溶性表达量也越高。因此，提高抗体的稳定性，可以大幅降低生产成本，从而使得药物便于普及。近十年的研究表明，抗体的稳定性与其在体内对各种蛋白酶的耐受性是相关的。抗体稳定性越高，则其折叠结构越紧凑，进而其内部的蛋白酶切位点越不容易暴露在外，因此在体内越不容易被蛋白酶降解，从而使得其在相同体内清除速度下在体内的剩余有效成分越多，而这在客观上使得在给药剂量相同的情况下其血药浓度越高。更重要的是，抗体稳定性越高，其在体内保持生物活性的时间也越长，因此给药周期也可相应延长，从而免除患者频繁给药的痛苦。由此可见，较高的稳定性，是一株治疗性抗体能否zei终走上临床并投放市场的关键因素之一。除此以外，抗体的稳定性对于其保质期及存放条件等性质也是至关重要的。稳定性越高，则在相同条件下的保存时间也就越长，而且对保存环境的要求也相对较低，而这在一定程度上也降低了抗体的储存和物流成本。因此，在保证抗体亲和力、特异性及表达量等性质不受太大影响的情况下，zei大程度的提高其稳定性，对于抗体药物研发具有重要的现实意义与应用价值。

目前我们已经掌握的稳定性改造技术包括：基于统计分析的方法、局部结构熵（Local Structure Entropy）分析方法、高斯网络模型分析方法及基于结构的改造方法。综合应用这四项技术，我们曾设计了60余株突变体，其中30余株的稳定性的得到了较为明显的改善，且其亲和力与特异性均未受明显影响。通过组合突变，目标抗体的稳定性获得进一步提高，表达量和溶解性也获得较大程度的改善，体内半衰期被提高了3-4倍。

计算机辅助半衰期改造

在抗体稳定性达到一定程度之后，抗体体内半衰期的长短主要由其在体内的清除速度决定。通过分析抗体体内清除机制，我们发展了三种减缓其清除速率的方法：Fc-FcRn亲和力成熟、电荷重分布（charge-redistribution）及亲和力转变（affinity-switch）法。这三种方法利用传统的随机突变方法很难实现，必须依赖于计算机模拟的理论指导。 Fc-FcRn亲和力成熟法的核心思想是增强抗体Fc段与其受体FcRn之间的亲和力，从而使得FcRn对抗体的保护作用加强，减缓其被清除速率。 电荷重分布法的原理是让抗体表面分布上尽可能多的负电荷，阻止抗体被细胞内吞，从而降低被清除速率。 亲和力转变法主要利用HIS在血液（7.4）与胞内（6.2）pH条件下的质子化状态不同的特点，从而设计出可回收利用的抗体。 

 

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