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    Boehringer Ingelheim的抗體人源化與可開發性理念:Matrixed CDR Grafting

    研究背景
    抗體藥物作為21世紀主要的治療方式,其研發過程中的“人源化”是關鍵步驟之一。傳統方法通過最大化人類可變區(V-region)與原始遺傳系列的同源性來保持結合力,但往往忽略了分子固有屬性的重要性。

    創新技術
    Boehringer Ingelheim的研究團隊提出了一種新理念:Matrixed CDR嫁接,通過將小鼠抗LAG3抗體的CDRs嫁接到多個不同的人類VH和VL框架區域,評估了表達、親和力、可開發性和功能等多方面的影響。

    圖1. 該項研究文章截圖

     

    研究內容

    研究團隊選擇了一個抗LAG3的小鼠單克隆抗體,通過與人免疫球蛋白germlines的同源性比較,查找與抗LAG3抗體V-region同源性最高的人類遺傳基因,作為CDR嫁接框架。

    圖2. 抗LAG3抗體V-region與人免疫球蛋白germlines同源性比較

     

    之后將抗LAG3抗體的CDRs嫁接到14種不同的人類VL和15種不同的VH框架上,形成了210種不同的抗體組合。通過高通量系統,對這些抗體在表達、親和力、可開發性和功能等方面的表現進行了全面評估。

    實驗結果顯示,與抗LAG3抗體序列同源性更高的嫁接體展現出更好的表達量以及對LAG3的親和力。同源性最低的VL嫁接體其表達和熔點表現最差,而同源性最低的VH嫁接體其純度結果最差。綜合這些實驗數據,實驗人員挑選了輕鏈Vκ1、Vκ2、Vκ3、Vκ4、Vκ6和Vκ8以及重鏈VH1、VH9和VH11,組合成18種抗體分子進行下一步的研究。 

    圖3. 抗LAG3抗體嫁接體的表達量和親和力。與親本抗體序列同源性更高的嫁接體展現出更好的表達量和對LAG3的親和力

     

    圖4. 抗LAG3抗體嫁接體的可開發性數據,包括表達量(A和E)、純度(B和F)、熔點(Tm, C和G)和親水性(D和H)。同源性最低的VL嫁接體其表達和熔點表現最差,而同源性最低的VH嫁接體其純度結果最差

     

    研究員首先對選定的研究嫁接分子進行了工程化調整優化(天冬氨酸異構化位點優化以及潛在脫酰胺化位點優化),并進行親和力和可開發性評估。結果顯示VH框架顯著影響表達、穩定性和疏水性,但不影響純度。同時還評估了嫁接分子對細胞相關LAG3的結合能力。結果顯示所有嫁接物均能結合LAG3表達的CHO-K1細胞。

    圖5. 嫁接分子VH框架的可開發性數據


     圖6. 嫁接分子對細胞相關LAG3的結合能力評估

     

    親本抗LAG3抗體旨在阻斷LAG3與MHCII的相互作用。為了評估嫁接分子是否表現出這種LAG3-MHCII阻斷功能,研究員對所挑選的嫁接體進一步研究。結果發現,所有嫁接體表現出了阻斷活性,與抗體親和力之間沒有顯著相關性。

    圖7. 不同嫁接分子阻斷LAG3與MHCII相互作用的能力

     

    之后研究員將嫁接分子結構與親本結構進行比較分析。將預測的嫁接分子結構模型與親本抗LAG3抗體模型496G6的結構進行疊合分析,并計算了嫁接分子不同區域相對于親本的RMSD值,以評估結構的相似性。通過對抗體的Fv部分和HCDR3的結構模型進行分析,發現一些低同源性的VH嫁接體在HCDR3環的結構中表現出較低的RMSD值,說明結構相似性并不總是與序列同源性直接相關。

    圖8. 不同抗LAG3抗體嫁接體結構分析

     

    研究結論

    VH和VL的影響:研究發現VH框架對抗體的表達、穩定性和親水性有顯著影響,而VL框架則對親和力、目標結合和功能特性有顯著影響。
    親和力與功能:研究指出,親和力雖然是選擇抗體候選物的重要標準,但與功能的相關性并不總是線性的,有些高親和力的抗體功能表現并不理想。
    人源化與開發性:通過Matrixed CDR嫁接方法,研究團隊能夠識別出在保持或改善親和力的同時,具有更好開發性特性的抗體。
    選擇更好的候選物:研究最終表明,通過更廣泛的人類框架同源性空間探索,可以找到比最同源的VH/VL對更優的候選抗體,這些候選抗體具有更好的全局屬性,可能更快地通過開發階段,并具有更高的成功概率。


    意義與展望

    這項研究展示了如何通過現代高通量系統,實現對抗體人源化的更全面、定制化和系統性分析,從而加速發現具有改善全局屬性的人源化抗體,提高臨床開發的成功率。

    唯信點評
    不愧是MNC,很系統的研究,信息量很大。局限性在于只涉及了LAG3一個靶點,也未考慮回復突變的影響,后者卻是至關重要的。
    瑕不掩瑜,文章結論與我們在大量抗體設計項目中的經驗是基本一致的,甚至不同germline來源的FR模板的替換可應用在包括人源化在內的多種抗體優化場景中。
    文章的計算部分都可以用WeMol實現,使用WeMol的人源化設計功能可以同時評價除了同源性以外的理化性質指標,并輕松指定不同germline的多組FR模板,并批量預測最終人源化變體的結構及計算CDR區的RMSD,實現高通量、高質量、高靈活度的設計。

     

    參考文獻:J. Biol. Chem. (2024) 300(1) 10555

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