前言
单克隆抗体(mab)已成为一类越来越重要的药物,它的临床应用彻底改变了癌症治疗的领域。不同单抗的抗肿瘤作用机制不同,包括阻断肿瘤特异性生长因子受体或免疫调节分子,以及补体和细胞介导的肿瘤细胞溶解。因此,对于许多单抗来说,Fc介导的效应器功能对治疗的疗效至关重要。由于免疫球蛋白亚型在与免疫细胞上的FCR结合的能力以及激活补体的能力上不同,它们激活的免疫反应也不同。因此,治疗性单克隆抗体的抗体亚型的选择取决于其预期的作用机制。考虑到目前许多单克隆抗体的临床疗效仅在患者亚群中实现,抗体开发过程中的最佳亚型选择和Fc优化可能是朝着改善患者预后迈出的重要一步。下面我们就分别从肿瘤抗原靶向抗体、免疫检查点抑制剂抗体和TNFR家族激动抗体三个方面来探讨抗体亚型的选择。
肿瘤抗原靶向抗体的作用机制
第一代被批准用于临床的治疗性抗体,仍然是癌症治疗中最常见的一类单克隆抗体,由直接针对肿瘤抗原的抗体组成。这些肿瘤抗原或多或少对肿瘤的生长、存活和侵袭具有重要作用(如抗HER2、抗EGFR)。然而,在人类和小鼠中的一些观察表明,Fc介导的免疫细胞激活是其中许多单抗的一个重要的额外作用机制。
抗体的Fc部分可以激活效应细胞,如NK细胞、巨噬细胞或中性粒细胞上的FCR,然后介导肿瘤细胞溶解。这通过细胞毒性作用(抗体依赖性细胞介导的细胞毒性-ADCC)或对肿瘤细胞的吞噬作用(抗体依赖性细胞介导的吞噬作用-ADCP)介导。此外,抗体通过其Fc尾部,可通过结合C1q激活补体级联反应,从而通过几种不同的机制导致肿瘤细胞溶解。这包括膜攻击复合物(MAC)的形成,直接诱导靶细胞的溶解(CDC)或通过补体成分C3a和C5a的化学趋向性吸引免疫细胞。
此外,C3b和C4b介导NK细胞、巨噬细胞/单核细胞和粒细胞的补体依赖性细胞介导的细胞毒性(CDCC),或髓系细胞的补体依赖性细胞介导的吞噬作用(CDCP)。抗体介导的细胞死亡也会导致肿瘤抗原的释放和免疫复合物(IC)的形成,从而促进抗肿瘤T细胞反应的启动,维持对肿瘤的控制和排斥反应。在这个过程中,与FcγRs的结合和补体的激活在树突状细胞(DC)摄取IC及对肿瘤抗原的呈递中起着关键作用。
优化IgG效应器功能
IgG-Fc效应器功能通过补体和FcγRs介导,它们分为激活受体(FcγRI,FcγRIIa/IIc,FcγRIIIa,FcγRIIIb)或抑制受体(FcγRIIb)。由于大多数效应细胞同时表达激活和抑制FcγRs,IgG结合的结果是相对综合亲和力、受体可用性和信号能力的结果。抗体对其受体的相对亲和力定义为激活抑制比(A/I)。
A/I比率的概念是基于对小鼠的观察,结果表明mIgG2a的A/I较高,mIgG1的A/I较低,mIgG2b的A/I介于中间。因此,在许多体内模型中,mIgG2a亚类的治疗性抗体被证明能更有效地清除肿瘤。虽然人IgG亚型间A/I比值的差异不太明显,但由于它们的FcR结合谱不同,它们诱导免疫应答的能力也不同。IgG1和IgG3与所有FCR结合,但对激活的FCR表现出更高的亲和力。因此,它们被定义为具有强烈Fc效应器功能的Ig亚型。另一方面,IgG4与大多数激活的FcRs和抑制FcγRIIb结合的亲和力相似,被认为是低活性的。最后,除了高亲和力的H131 FcγRIIa等位基因,IgG2与大多数FCR的结合较差,Fc效应器功能有限。因此,IgG1和IgG3能够发挥有效的效应器功能来消耗抗体,而IgG2和IgG4在避免Fc介导的细胞耗竭时是首选的。
1． 优化激活抑制比
提高IgG-Fc效应器功能的一种常用方法是通过增加激活FcγRs的亲和力和降低与抑制性FcγRIIb的结合来优化A/I比值。一种提高A/I比值的方法是通过糖工程化成功实现的,最相关的修饰是N297多糖的去岩藻糖基化,它显著增加了对FcγRIIIa的亲和力,改善了ADCC效应。两种去岩藻糖基化的单抗已获得上市批准(抗CCR4的mogamulizumab和抗CD20的obinutuzumab),其他一些目前正在进行临床试验。
另一种提高A/I比率的常用策略是在Fc尾部中引入点突变。这一类中最有前景的单抗是margetuximab,一种抗HER2抗体,其Fc尾部具有5点突变,从而改善了与FcγRIIIa和FcγRIIa的结合,并且降低了与FcγRIIb的结合。
2． 优化补体依赖性细胞毒性
CDC被认为是一些治疗性单抗(如抗CD20)的重要作用机制。优化Fc介导的补体激活是一种有效策略。
由于其自然存在的五聚体和六聚体形式,IgM表现出最大的补体激活能力。然而,IgM在治疗性单克隆抗体的开发中并没有受到太多的关注,只有少数肿瘤靶向的IgM单克隆抗体在临床试验中得到了评估。其中PAT-SM6获得了EMA和FDA针对多发性骨髓瘤的孤儿药资质。
在IgG亚类中,IgG1和IgG3是很好的补体激活剂,IgG3似乎是更有效的亚型。然而,尽管IgG3的内在问题,如体内半衰期短,已经成功地得到了解决,但其具体的制造问题仍使其在药物开发方面的吸引力降低。
另外,通过构建IgG1/IgG3嵌合抗体,可以实现IgG1(有利制造特性)和IgG3(增强型CDC)两者优点的结合。最佳结构称为113F,它将IgG1的CH1和铰链区与IgG3的CH2以及部分来自IgG3、部分来自IgG1的CH3结合在一起。这种嵌合抗体的去糖基化版本显示,除了保留与蛋白A结合外,CDC和ADCC的增强程度与去岩藻糖基化IgG1相当。在体内,抗CD20 113F抗体与IgG1相比表现出更大的B细胞耗竭(这两种抗体都是去岩藻糖基化的,以改善ADCC)。这项研究表明,优化的补体激活和A/I比率的结合是一种很有前途的改进肿瘤清除抗体的策略。
增强补体激活的其他策略包括引入点突变来改善IgG1与C1q的结合。重要的是,增强CDC的突变可以与单个IgG1中的ADCP和ADCC增强突变结合起来,从而扩大这些抗体的效应器功能。最后,有利于IgG六聚体形成的突变也显著增强了C1q的结合,从而增强了CDC作用。然而,这些Fc突变是否能转化为提高临床疗效仍有待观察。
3． 应用Ig的其它亚型
IgE:IgE可通过两种激活受体(高亲和力FcεRI和低亲和力FcεRII)介导其Fc效应器功能。虽然FcεRI主要由肥大细胞(MC)和嗜碱性粒细胞表达,但FcεRI在嗜酸性粒细胞、树突状细胞和髓系细胞上也有表达。与IgG类相比,IgE具有许多优点,例如,它对其受体FcεRI的亲和力比IgG的高亲和力受体FcγRI高两个数量级。由于具有如此高的Fc?RI亲和力,IgE被局部保留在表达Fc?RI的细胞上,并且在组织中具有良好的生物利用度,这对实体瘤的治疗具有重要意义。此外,IgE缺乏能引起免疫抑制的抑制性Fc受体,如IgG47中的FcγRIIb。
关于IgE治疗的一个潜在的担忧是,MC或嗜碱性粒细胞的脱颗粒导致潜在的危及生命的过敏反应的风险。然而幸运的是,在临床前模型中没有发现过敏反应的迹象,啮齿动物和猴子的安全性数据令人满意,支持首次使用肿瘤靶向抗叶酸受体α-IgE单克隆抗体MOv18(NCT02546921)进行临床试验。来自24名患者的1期数据支持了MOv18-IgE的安全性和潜在疗效。容易控制的荨麻疹是最常见的副作用,只有1例患者出现过敏反应。此外,在一名患者中观察到抗肿瘤效果。
IgA:另一种相当有前途的肿瘤清除单抗Ig亚型是IgA,它通过FcαRI介导其效应器功能。FcαRI在多形核细胞(PMNs)上高表达,使得中性粒细胞成为IgA单抗治疗最相关的细胞类型。中性粒细胞是人类最丰富的细胞毒性细胞类型。它们具有多种强大的细胞破坏机制,包括释放细胞毒性分子、诱导细胞凋亡和坏死。此外,与IgG1/IgG3嵌合体相似,人们试图构建IgG1/IgA嵌合体,目的是结合这两种不同亚型的优点。这些方面得研究仍处于早期阶段。
针对免疫检查点的抗体
理论上,检查点阻断抗体不需要Fc介导的效应,因为它们的主要效应器功能来自阻断受体-配体相互作用。然而,在小鼠模型中,发现功能性Fc有助于抗CTLA4检查点抑制剂的治疗效果。这些研究表明,虽然治疗后淋巴结中的效应T细胞(Teff)和调节性T细胞(Treg)的数量都增加了,但在肿瘤中,尤其是Treg,而不是Teff的数量减少了。这种下降仅在IgG2a亚型(小鼠A/I比率最高的亚型)的抗CTLA4中观察到,并且表现出mFcγRIV依赖性。潜在机制可能是由肿瘤中表达高水平FcγRIV的选择性高丰度巨噬细胞引起的。此外,Tregs表达的CTLA4水平远高于Teff细胞,因此优先被耗尽。这些发现表明了TME对治疗性单克隆抗体疗效的重要性。
有迹象表明人类抗CTLA4单克隆抗体也显示出同样的效果。在具有高NEO表位负荷的晚期黑色素瘤患者中,研究发现高亲和力V158 FcγRIIIa等位基因的存在与CTLA-4靶向抗体ipilimumab的反应增强之间存在正相关,为Fc介导功能的重要性提供了进一步的临床证据。
同样地,在小鼠模型中,由于Fc介导的TME中免疫抑制髓系细胞亚群的耗竭,抗PD-L1单抗与激活FcγRs的结合增强了其治疗效果。目前,有三种临床认可的抗PD-L1单克隆抗体,其中两种具有突变的Fc尾部,消除了与FcγR的结合(atezolizumab, durvalumab),一种是野生型IgG1(avelumab)。目前正在进行数百项针对这些抗体的临床试验,未来的结果可能有助于了解功能性Fc是否能提高PD-L1靶向抗体在人体内的临床疗效。如果是这样,进一步的Fc效应器功能优化可能是一个有吸引力的方向。
与抗CTLA4和抗PD-L1相比,功能性Fc在体内损害了抗PD-1单抗的活性。这种有害影响的潜在机制是肿瘤细胞浸润的CD8+T细胞,其特点是高PD-1表达。毫不奇怪,两个临床的抗PD-1单抗属于IgG4亚类,Fc效应器功能较差。然而,由于IgG4在一定程度上仍可与激活性的FcγRs结合,因此比较与完全取消FcγR结合的突变单抗的疗效是很有意义的。同样,靶向CD47的抗体,也不需要Fc效应器功能。
综上所述,这些发现有力地表明,TME的细胞组成以及靶分子在不同免疫细胞群上的相对表达可以极大地影响检查点阻断单抗治疗的结果。这些因素决定了FC介导机制对最佳治疗效果的需求,从而决定了检查点抑制剂的亚型选择。
靶向TNFR的激动剂抗体
靶向肿瘤坏死因子受体(TNFR)家族特异性成员的激动性单抗Fc部分已被证明在其治疗效果中起着关键作用。这类单抗的目的是激活肿瘤细胞上的死亡受体,如DR4、DR5和FAS,以诱导细胞死亡,或激活免疫细胞上的共刺激受体,如CD40、4-1BB、OX40、GITR和CD27,以提高抗肿瘤免疫反应。
TNFR需要三聚化以启动其相关的信号级联。因此,这些受体与Fab臂的二价结合通常不足以激活它们,需要额外的交联。对于这些抗体来说,与FcγRs的相互作用是聚集的有效支架。具体地说,FcγRIIb是抗体介导的TNFR交联和下游信号激活的主要支架,因为其相对较高的表达。因此,体内研究发现激动剂抗体的活性高度依赖于小鼠中FcγRIIb的成功参与,并且改进FcγRIIb结合的Fc工程抗体显示出更强的抗肿瘤活性。然而,FcγRIIb的表达是动态的,并且可以被特定的细胞因子下调,使得FcγRIIb介导的受体聚集交联的无法预测。
此外,通过激动性抗体有效的FcR参与被发现与严重的肝毒性有关,这可能是由于FcγRIIb在某些肝细胞亚群上的高表达。因此,需要探索新的策略来提高这些单抗的激动活性,而不依赖FcγR的参与。其中一个策略就是使用hIgG2(B)。hIgG2的这种紧凑且高度激动的构象是铰链区中独特的二硫键重排的结果。与hIgG2(A)相比,hIgG2(A)的Fab臂没有通过二硫键连接到铰链上,hIgG2(B)在每个Fab臂和铰链之间存在两个二硫键,使它们更加坚硬,并有可能使TNFR分子更紧密地聚集在一起。因此,使用hIgG2(B)是提高针对TNFR家族成员的单抗FcγR非依赖性激动剂活性的可行策略。此外,从hIgG1到hIgG2的亚型转换足以将免疫抑制性抗CD40拮抗抗体转化为具有抗肿瘤活性的强效激动剂。这些发现是选择亚型能完全改变单抗活性的最显著的例子之一。
另一种提高TNFR家族靶向单抗激动活性的方法是最近开发的HERA平台。HERA是一种人工嵌合分子,它具有两个三聚体TNFR结合域,融合到不与FcγR结合IgG1-Fc主链上。所得到的六价分子能够在没有FcγR介导的交联的情况下发挥其激动活性。到目前为止,两个靶向CD27和CD40的HERA分子已经显示出很有前景的抗肿瘤活性,在临床前的小鼠模型中没有明显的毒性。
所述的以FcγR非依赖性方式提高激动剂活性的策略还有一个额外的优势,因为它们可以防止表达靶分子的免疫细胞的不必要消耗。然而,在小鼠身上的实验表明,某些TNFR家族靶向激动剂抗体(如抗GITR、抗OX40或抗4-1BB)的治疗作用也涉及Treg的耗竭,这表明,与抗CTLA4类似,功能性Fc也可能是有利的。
小结
单克隆抗体的临床应用从根本上改变了肿瘤的治疗方法。然而,越来越明显的是,单克隆抗体通过多种不同的作用机制来调节它们的作用。选择正确的Ig亚型是至关重要的,因此人们投入了大量的精力来理解不同抗体亚型的Fc介导作用以及Fc修饰,以进一步提高抗体的疗效。为了优化Fc介导的效应器功能,人们开发了多种策略,为改进基于抗体的癌症治疗提供了全新的机会。此外,通过考虑患者相关因素,例如他们的免疫状态、TME或FcγR多态性的特征,Ig亚型选择可以允许开发在更广泛的患者中活跃的抗体,或者允许选择性地使用针对个人需求的抗体。这些考量可能会使我们在未来朝着为患者量身定制的药物和更有效的单抗治疗迈进一步。
参考文献:
1． Isotype selection for antibody-based cancer therapy． Clin ExpImmunol． 2020 Nov 5．
2． clinicaltrials．gov
