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IgG 亚型结构、生理活性等汇总整理

【小编化工出身,误打误撞进入了生物制药行业,作为大半个门外汉,只能苦逼的慢慢学习一些基础的专业知识,趁着给公司写公众号的机会,整理下看到的文献中、微信上感觉不错的东西。若有表述不妥的地方,敬请指正】


抗体根据重链(H) 恒定区(C) 分子结构的不同可分为IgG(单体)、IgA (单体~四聚体)、IgM (五聚体)、IgD (单体)和IgE(单体) 5 类,其H链C区分别为γ、μ、α、ε和δ五种。每类的成员称之为具有同样同种型(isotype)抗体。

Fig.1. 抗体的不同类型


IgG可根据其在血清中的分布丰度进一步分为IgG1(60%)、IgG2(25%)、IgG3(10%)、IgG4(5%) 4种亚型,它们的恒定区序列高度同源,但是各亚型与抗原结合、免疫复合物的形成、补体激活、触发效应细胞、半衰期和胎盘转运特性均具有特异性。4种IgG亚型其恒定区的CH2区不同、铰链区的核心CXXC序列组成不同,重链和轻链之间的二硫键连接方式也不同,见Table.1。在结构与功能效应上IgG1和IgG3与Fc受体的亲和力高于IgG2和IgG4,具有更强的激活抗体依赖的细胞毒性及补体依赖的细胞毒性的能力;IgG2和IgG4亚型具有阻碍或抑制的效应功能。另外,各亚型生物功能也各有侧重,IgG1和IgG3主要结合蛋白质抗原,IgG2结合糖类抗原,IgG4则响应慢性刺激并且具有抗炎的活性。

Table1 IgG各亚型的结构和功能差异


本文梳理4种IgG抗体亚型的结构、生理活性的区别,进而讨论其在重组抗体药物开中的应用。早期基于IgG1的抗体为研发主流(基于CDC,ADCC等),见Table.2,但近年来随着新适应症的拓展、新作用机制抗体药物的发现,尤其是基于免疫检查点的研究,IgG2、IgG4亚型的应用逐渐增多。

Table 2. List of approved monoclonal antibodies for tumor therapyand their isotype/subclass before 2015


IgG1是血浆中含量最多的一种亚型。Brüggemann et al在30年前在分析这几类不同的亚型在CDC和ADCC方面的潜力时就发现IgG1是肿瘤免疫治疗中最具潜力的亚型,而且由于人IgG1也能够有效结合鼠源Fcγ受体,因而在小鼠体内模型中也能够观察到明显的效果。同时由于这种有效结合,其在体内的血清半衰期时间较久。从工业化角度看,IgG1能够在杂交瘤细胞(CHO)中高表达并可用高效经济的方式进行纯化(Protein-A),同时具有较高的稳定性。


这些特征都决定了IgG1是一种比较理想的可工业化生产(GMP)的抗体。IgG1是现阶段最常被使用的Fc亚型,科学家在此基础上通过Fc工程化策略来优化其功能特性,稳定性和药代动力等特征。FDA在97年批准的第一款用来治疗肿瘤的治疗性抗体药物rituximab(CD20)使用的就是IgG1,在此后,大量的基于IgG1的药物上市。


IgG2主要用来中和抗原或阻断受体配体的结合,其CDC和ADCC效应表现非常弱,在早期基于其上市的仅为EGFR抗体。但随着免疫检查点研究的兴起,越来越多的基于IgG2的药物进入临床并上市,见Table.3。IgG2虽然和C1q的结合比较弱,但当抗原或抗体溶度较高时仍旧可以引发CDC效应,同时IgG2是唯一可以结合FcγRIIa (CD32a)的亚型,而且这种结合可以通过单核苷酸多态性(SNP)进行调节,这种多形性可影响IgG2的功能活性。因而FcγRIIa高亲和力变异体(131-His)经髓系细胞介导后可诱导Anti-CD3-IgG2介导的T细胞活化和增殖。不仅如此,人IgG2 EGFR抗体(panitumumab)能够通过髓系细胞介导ADCC效应。

IgG3有一个延长的铰链区域,其核心铰链区有11对二硫键,因此对于蛋白酶切割不稳定。IgG3与FcγRs的结合能力最强,能引发ADCC和ADCP,且CDC效应比IgG1更强。但IgG3的半衰期更短,其R435不同于其他IgG分子的H435,这影响了其与FcRn的结合,考虑到药代动力学需要更频繁的给药,因而很少选择用来开发抗体药物。同时从经济角度来看,IgG3抗体无法用现阶段工业化常用的Protein-A来进行纯化,且易形成多聚体,这无疑会大大增加纯化成本,这进一步抑制了基于此亚型的抗体开发。

IgG4分子的铰链区较短,且其与FcγRI(CD64)之外的FcγRs结合较弱。IgG4分子不能引起CDC和NK细胞介导的ADCC,但是能引起巨噬细胞介导的ADCP。在体内,IgG4分子会经历Fab-arm交换的过程,从而形成半分子以及双特异的功能单价的抗体,这可能解释IgG4在健康人和疾病患者中生物和病理生理学性能。这种性状为开发双特异性抗体提供了一种新的思路。但S228P能够稳定IgG4分子,阻止半分子的形成。以免疫检验点抑制剂为例,PD-1/PD-L1通路理论上是以PD-1抗体或者PD-L1抗体阻断该通路,解除对T细胞等的抑制,从而杀死细胞。该作用机制不同于以往抗癌抗体等依赖ADCC活性等杀死细胞的机制,因此PD-1抗体Opdivo、Keytruda在设计时采用了ADCC活性弱的IgG4亚型,PD-L1抗体Tecentriq采用了IgG1亚型但采用抗体工程去除了糖基化,亦没有ADCC活性。


表三应用IgG2、IgG4亚型的已上市抗体药物


由于抗体药物的各种作用机制相互影响,非常复杂,比如理论上ADCC活性也可以和PD-1/PD-L1通路产生协同杀伤癌细胞的作用。选择何种亚型更多的情况是在安全性与有效性之间平衡,这有待于积累更多临床经验并进一步了解其作用机制网络。


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