抗体技术的一次重大突破是单克隆抗体技术的诞生。为了便于区别,此前以抗原免疫动物获得抗血清途径制备的抗体则称之为多克隆抗体。1975年英国科学家Milstein和法国科学家Kohler将产生抗体的B淋巴细胞同肿瘤细胞融合形成杂交瘤细胞。杂交瘤细胞具备亲本细胞的特性,既可以产生抗体,又具有肿瘤细胞无限增殖的特性,从而持续分泌单克隆抗体。单克隆抗体优点众多,在抗体临床应用过程中具有划时代的意义。两位科学家因此被授予1984年的诺贝尔生理学或医学奖。
自1986年第一个治疗性抗体进入临床以来,治疗性抗体得到了迅速的发展,到目前为止,FDA共批准了近百个治疗性抗体药物,其已成为现代生物医药的重要组成部分。伴随现代科技的发展,治疗性抗体经历了鼠源性抗体,嵌合抗体,改性抗体和表面重塑抗体(部分人源化抗体),以及全人源化抗体等不同发展阶段。
第一代:鼠源单抗(momab)
1986年,也就是在Milstein和Kohler凭借单抗杂交瘤技术获得诺贝尔奖后的第二年,强生的Orthoclone OKT3成为第一个被美国FDA批准的单抗药,用于防止肾脏移植后的宿主排斥。但直到9年以后,第二个抗体药——礼来和强生的ReoPro——才于1995年在美国上市,被用来抑制血栓形成。
第一个单克隆抗体药Orthoclone OKT3来自于小鼠,它的氨基酸序列都是鼠源的。鼠源抗体在给病人服用过程中常常遇到一些问题:1)人体把这些单抗药当作异体蛋白,会产生免疫排斥。2)免疫排斥使单抗药很快从病人体内被清除掉,大大降低了它们应有的疗效。尤其治疗慢性疾病需要长期服用的情况下,鼠源单抗药在后续注射时疗效甚微;3)少数病例中,鼠源抗体会引起严重的过敏反应,甚至导致了个别病人的死亡。因此,早期单抗药的销售始终没有腾飞——Orthoclone OKT3的年销售额仅有1千万美元左右。
单抗药要想在江湖上立足,要想在医学上有更广泛的应用,必须要转变成人源化抗体或人源抗体。
第二代:人鼠嵌合单抗(ximab)和人源化单抗(zumab)
这里我们有必要区分一下人源化抗体和人源抗体。人源化抗体一般是以鼠源抗体为基础,通过更换蛋白片断和置换部分氨基酸序列, 使抗体的最终氨基酸序列更接近人源的。而人源抗体是任何能被人体B细胞表达的抗体,其氨基酸序列是100%由人的基因编码的。
20世纪90年代,以美国为主出现了几十家生物技术公司。他们个个身怀绝技——他们的技术平台都是围绕如何将抗体人源化或直接产生人源抗体而建立的,他们的目的都是将抗体药发扬光大。以研发抗体药为主的公司在当时的江湖上分两大流派。第一个流派可以称之为抗体蛋白工程派或人源化派。单抗在小鼠中产生后,它的部分氨基酸序列或被置换,或被拼接组合,其最终目的是既不引起人的免疫排斥,又不降低它对靶抗原的亲和性。这一流派又分为两个层次。第一个层次是嵌合抗体(Chimeric antibody): 抗体的恒定区都被置换成人的氨基酸序列。嵌合单抗蛋白约33%的氨基酸序列来自小鼠,其余67%为人源的。第二个层次是人源化抗体(Humanized antibody),即拿到针对某抗原的小鼠抗体后,只取其识别抗原的几段区域(CDR区域),把它们移植到人源抗体中。人源化单抗中人源的序列占90%。人源化单抗显然比嵌合单抗更有优势,引起免疫排斥或超敏的风险更低。人源化单抗技术的代表公司为Protein Design Labs, 或PDL。基因泰克几个著名的单抗药——Herceptin, Xolair和Avastin——的人源化都需要获得PDL的技术许可。人源化单抗技术最大的缺点是缺乏通用的方法。每个抗体分子的人源化,都需要个案分析、分子建模、大量的改造和试错。即使这样,由于鼠源序列的存在,人源化单抗还是不能完全避免免疫排斥或超敏的风险。
第三代:全人源化单抗(mumab)
抗体药的第二个流派是全人源单抗。这一流派又分为两大门派:噬菌体展示和转基因小鼠。
用噬菌体展示技术产生抗体完全避免了动物的使用。在这一技术中,先通过PCR技术建立一个以噬菌体质粒为载体的、表达无数个人源抗体可变区的基因库。当大肠杆菌被这些质粒转染后,千百万个噬菌体被释放出来。每个噬菌体表面呈现一个独特的抗体可变区片断。含有这些噬菌体混合物的溶液,在流过附着特定抗原的固态基质后,粘在基质表面、洗不走的往往是呈现特异性抗体的噬菌体颗粒。特异性抗体的基因再进一步被扩增、纯化。这一流派的代表公司包括CAT和Dyax。
转基因小鼠技术出道虽晚,但技术优势却最为明显。该技术通过转基因的手段把小鼠自身的抗体表达系统破坏掉,再引进人的抗体生成系统。这种转基因小鼠针对某种抗原就可以直接产生全人源的抗体。
噬菌体展示和转基因小鼠在执行过程中各有千秋。一般来说,噬菌体展示技术“先快后慢”,即找到针对某种靶蛋白的抗体很快,但选出的这个抗体和靶蛋白的亲和性往往不高,需要人工细调,更换个别氨基酸。优化这一步费时费力,而且即使优化的抗体和通过转基因小鼠出来的抗体相比,亲和力可能还是相差一个数量级。另外,在优化的过程中需要替换一些氨基酸,也就引进了被免疫排斥的风险。转基因小鼠技术是“先慢后快”,将抗原注射到小鼠体内、产生特异抗体、制备杂交瘤细胞等前几步需要几个月的时间。但一旦最初的抗体产生,其优化过程在小鼠体内继续完成,又快又好,并且不用担心免疫排斥的问题。
在这里要不得不提到全球第一个上市的全人源抗体—阿达木单抗(修美乐)。阿达木单抗始于1993年巴斯夫子公司BASF Knoll和剑桥抗体技术公司(Cambridge Antibody Technology,CAT)的合力研究。剑桥抗体技术以TNFα为抗原使用它们特有的噬菌体展示技术在体外筛选中得到了全人抗体D2E7。在随后的研究中,BASF Knoll进一步对全人抗体D2E7进行了完善,并完成了前期的生产工艺开发和临床申报。
2002年6月,美国雅培制药(Abbott)以69亿美元收购BASF Knoll,获得了全人抗体D2E7的开发生产和销售权,最终将阿达木单抗推向市场。自2002年首次获得FDA批准上市以来,阿达木单抗已经累计创造了1161亿美元的销售收入,2017年的美国市场增速为18．5%,全球市场增速为14．6%,因此直到今天仍然以每年两位数的增幅刷新单只药品的年度销售记录。
