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研发抗肿瘤抗体药物如何选择IgG亚类

研发抗肿瘤抗体药物如何选择IgG亚类




      

       抗体由Fab段和Fc段所组成,Fab段是与靶点抗原结合的区域,Fc段则可以结合FcγR。人抗体IgG具有四个亚类(IgG1,IgG2,IgG3,IgG4),其中以IgG1-Fc与FcγR的结合活性最强,IgG2和IgG4结合活性最弱。FcγR具有五个亚类(FcγRI,FcγRIIA,FcγRIIB,FcγRIIIA,FcγRIIIB),每一个亚类在细胞的分布、与IgG-Fc的结合活性、以及所介导的生物学活性均有不同。


      所以在设计抗体分子尤其是双抗分子时,需要综合考虑靶点特性、靶点细胞分布、靶点生物学活性、以及肿瘤微环境等因素,来选择抗体IgG亚类,从而可以避害趋利,使得设计的抗体药物具有最佳疗效、最低毒副作用。



田文志博士,宜明昂科董事长兼总经理


01 针对肿瘤细胞靶点的抗体IgG亚类选择 
      针对肿瘤细胞靶点的抗体,最好选择具有ADCC活性的IgG亚类,即IgG1,即便是针对具有传递肿瘤生长信号的靶点(比如RTK类靶点,EGFR、Her2、PDGFR),如果抗体在阻断肿瘤生长信号的同时可以通过ADCC/ADCP激活免疫细胞,那么可以预期会有更好、更持久的疗效。该类抗体包括赫赛汀(Herceptin)、爱比妥(Erbitux)、帕捷特(Perjeta)等。另一类抗体则完全依靠ADCC/ADCP而发挥疗效,比如针对CD20的抗体(Rituximab、Obinutuzumab)、针对CD38的抗体(Daratumumab)、针对GD2的抗体(Dinutuximab)、针对SLAMF7的抗体(Elotuzumab)等。

       抗体所介导的ADCC活性受到肿瘤靶点表达丰度、FcγR基因型、以及效应细胞在肿瘤组织的数量等因素所影响。如果每个细胞表达的靶点分子个数低于104,则不足以诱导ADCC活性,只有达到105-106个分子时才能诱导较强的ADCC活性。所以,虽然某些肿瘤靶点在正常组织也表达,但如果表达水平达不到105以上,也不会因此而造成对正常组织的损伤。

       在所有FcγR亚类中,FcγRIIIA主要在NK细胞表达,所以主要介导ADCC,FcγRIIA主要在巨噬细胞表达,所以主要介导ADCP。FcγRIIIA有两个基因型,FcγRIIIA-158V和FcγRIIIA-158F,前者(FcγRIIIA-158V)是高亲和性受体,后者(FcγRIIIA-158F)是低亲和性受体。大多数人群表达FcγRIIIA-158F基因型,所以对美罗华、赫赛汀等抗体的治疗反应性比较差。通过改变Fc段的糖型结构则可以增加抗体与FcγRIIIA-158F基因型的亲和活性,从而增强抗体的疗效。

       比如Obinutuzumab,即是通过缺乏岩藻糖基转移酶(Fucosyltransferases)及岩藻糖转运子(Fucose Transporters)基因的细胞株生产,去除了Fc段的岩藻糖,从而增加了与FcγRIIIA-158F受体的亲和力。最近另一个针对Her2的抗体(Margetuximab)向FDA递交了上市申请,该抗体则是通过对Fc段的基因突变,增强了与FcγRIIIA-158F受体的亲和活性,从而对表达FcγRIIIA-158F的乳腺癌患者达到了临床研究终点,与赫赛汀相比,总生存率(OS)延长了4.3个月(23.7 months vs 19.4 months)。

       FcγRIIA也有两个基因型,FcγRIIA-131H和FcγRIIA-131R,前者是高亲和性受体,后者是低亲和性受体。FcγRIIA不在NK细胞表达,主要在巨噬细胞和DC细胞表达,IgG1抗体Fc段与FcγRIIA受体结合以后,可诱导巨噬细胞对肿瘤细胞的吞噬,而吞噬处理过的肿瘤抗原则又可以递呈给T淋巴细胞,从而达到持久疗效。然而由于CD47-SIRPa通路的存在,抗体诱导吞噬活性的强度受到肿瘤细胞表达CD47的水平所影响,此时需要另一个抗体来封闭CD47-SIRPa的“别吃我”信号才能达到最佳治疗效果。


02  针对免疫细胞靶点的抗体IgG亚类选择 

       免疫细胞靶点比较复杂,因为有些是具有抑制活性的靶点,该类靶点统称为免疫检查点(比如CTLA4、PD-1、TIM-3、LAG-3,等等),而有些是激活免疫细胞的靶点(4-1BB、CD40、OX40、CD27、GITR,等等)


       针对免疫检查点类靶点,抗体IgG亚类的选择也分为两种情况,一是免疫检查点主要在CD8 T淋巴细胞表达(比如PD-1、TIM3、LAG3),针对这些靶点绝对不能选择具有ADCC/ADCP活性的IgG亚类(比如IgG1),否则抗体会通过ADCC/ADCP将CD8 T淋巴细胞予以清除。所有现有获批上市的PD-1抗体均为IgG4。而如果免疫检查点主要在调节性T细胞(Treg细胞)表达(比如CTLA-4),则应选择IgG1抗体(比如Ipilimumab),从而通过ADCC/ADCP将肿瘤微环境中高表达CTLA-4的Treg细胞予以清除,剩余空间给CD8 T淋巴细胞。如果将CTLA-4抗体与PD-1抗体联用,则会达到最佳协同治疗效果。如果是IgG2抗体(比如Tremelimumab),则由于缺乏ADCC活性以及较弱的ADCP活性,从而连续失败了六个晚期临床研究,实在很可惜。


        针对激动型免疫细胞靶点,情况则更为复杂。该类受体多属于肿瘤坏死因子受体超家族,需要高度聚集(Higher order of clustering)以后才能传递信号。所以激动型抗体需要IgG-Fc与FcγR的铰链才能诱导靶点聚集从而达到最佳治疗效果。然而不同的靶点对IgG亚类的要求又有所不同。比如动物模型证明,CD40抗体需要与抑制性FcγRIIB受体结合才能发挥疗效,如果换成mIgG2a(与FcγRIV结合较强,与FcγRIIB结合很弱)则丧失了疗效。而OX40、GITR、及CD27,则需要抗体与激动型FcγR结合才能发挥疗效。然而,由于这些靶点同时在Treg细胞及效用性T细胞表达,很难区分该类抗体到底是通过ADCC/ADCP去除了Treg细胞、还是通过Fc-FcγR铰链激活了效应性T细胞来发挥抗肿瘤治疗效果。


      到目前为止,还没有一个激动型抗体获批上市,临床试验中的抗体作为单药的疗效也多表现欠佳,也许加强与FcγRIIB的结合会有收到更佳的效果,但如何平衡疗效与安全性也是一个丞待解决的问题。


03  双抗分子设计过程中抗体IgG亚类的选择

      双靶点抗体(简称双抗)无疑是未来抗肿瘤抗体的重要开发领域,但IgG亚类对疗效的影响,是需要在分子设计过程中慎重考虑的问题。这既涉及到靶点本身的生物学活性,又涉及到靶点细胞的生物学特性。


·  两个肿瘤细胞靶点

      如果两个靶点均为肿瘤细胞表达的膜蛋白靶点(尤其是RTK类靶点),在确保Fab端的靶点阻断活性的基础之上,毫无疑问应该选择IgG1,同时可以考虑设计成Fc-效应功能增强型突变体(比如增加Fc与激动型FcγR受体的结合、减弱与抑制性FcγRIIB受体的结合),这样既可以阻断肿瘤细胞生长信号,又可以通过ADCC/ADCP激活免疫细胞对肿瘤细胞进行攻击。ADCP介导的巨噬细胞活性又可以将肿瘤抗原递呈给T淋巴细胞,从而达到持久疗效。


       如果其中一个或者两个肿瘤靶点对应的配体是免疫检查点(比如CD47-SIRPa、PDL1-PD1),那么选择IgG1无疑会有更好地疗效,如果在此基础上进行Fc端突变以加强Fc与激动型FcγR(FcγRIIA、FcγRIIIA)的结合,那么预期效果会更佳。


       比如我们研发的CD47/CD20双抗分子(IMM0306),经过对Fc端进行基因突变加强了Fc与FcγR的结合活性,无论与哪一种基因型的FcγRIIA(131H/131R)及FcγRIIIA(158V/158F)都具有较高活性,可以分别激活巨噬细胞及NK细胞。同时由于还解除了“别吃我”信号,从而可以达到最佳治疗效果。




· 两个免疫细胞靶点

      如果两个靶点均在免疫细胞表达,情况比较复杂,需要区分靶点的生物学活性及免疫细胞种类。


      如果两个靶点均为免疫检查点且均在CD8 T淋巴细胞表达(比如PD-1xTIM-3,PD-1xLAG-3),则应避免Fc介导的效应功能,应选择IgG2或者IgG4,而不能选IgG1,否则双靶点抗体将会通过ADCC/ADCP将CD8 T细胞清除。同样,如果两个免疫检查点分别在CD8 T细胞及NK细胞表达(比如PD-1xNKG2A),也应避免Fc介导的效应功能。


      如果两个靶点均在Treg细胞表达(比如CTLA-4xGITR),或者一个在Treg细胞(CTLA-4)、另一个在MDSC细胞(比如CSF1R),则应选择IgG1,这样可以通过抗体介导的ADCC/ADCP将具有免疫抑制活性的免疫细胞(Treg、MDSC)予以清除。


       如果选择PD-1xCTLA-4进行双抗设计,则比较具有挑战性,无论选择哪一种(IgG1或者IgG4)抗体都难以达到预期效果,因为这两个靶点抗体的作用机制不同,PD-1抗体(多是IgG4)是通过封闭PD-1抑制信号,而CTLA-4抗体(IgG1)则主要通过抗体的ADCC/ADCP将Treg细胞予以清除来发挥疗效的。如果选择IgG1,则会同时把Treg细胞(高表达CTLA4)及PD-1细胞(主要是CD8 T细胞)予以清除,而如果选择IgG4,则只是发挥了PD-1靶点的疗效,对于CTLA-4靶点则没有作用,因为单纯封闭CTLA-4信号并没有治疗效果(比如Tremelimumab)


      而如果是PD-L1xCTLA-4,则选择IgG1是具有科学依据的,因为既可以阻断PD-L1与PD-1相互作用,又可以通过ADCC/ADCP将肿瘤细胞(表达PD-L1)及Treg细胞(表达CTLA-4)予以清除。


      同理,选择CD47xPD-L1开发IgG1双抗同样具有科学依据,同样可以达到预期的治疗效果。


     比如我们的IMM2505项目(CD47xPD-L1双抗),利用南模生物的三转基因(CD47xSIRPαxPD-1)小鼠模型,证明针对这两个靶点的双抗,比单靶点抗体或者两个单靶点抗体联用,均具有显著的抗肿瘤疗效,达到了完全清除肿瘤的效果。




· 一个肿瘤细胞靶点、一个免疫细胞靶点

       两个靶点分别在肿瘤细胞和免疫细胞,这种情况以CD3为基础的双抗最常见,比如CD19xCD3、CD20xCD3、BCMAxCD3等。由于CD3在T细胞表达,如果选择完整IgG作为双抗分子结构,那么一定不能选择IgG1的Fc,否则会清除T细胞。这类双抗多半选用IgG4,并采用KIH(Knob-into-hole)平台技术进行组装。


总而言之


       IgG-Fc在抗肿瘤抗体的药效中发挥与Fab同等重要的作用,在设计抗体药物分子时,应充分考虑靶点的生物学特性、对应的表达细胞、以及抗体药物最终的药效机制。如果ADCC/ADCP是必须的,那么应选择IgG1,同时最好通过技术手段(比如基因突变、基因修饰的CHO细胞生产)增加Fc与激动型FcγR(FcγRIIA、FcγRIIIA)的结合、去除或降低与抑制型FcγR(FcγRIIB)的结合。针对激动型免疫细胞受体尤其是肿瘤坏死因子受体超家族受体(如CD40、OX40),则应通过突变增加Fc与FcγRIIB受体的结合以增加铰链、从而诱导受体信号传导而激活T细胞。在设计双抗时,应充分考虑两个靶点的生物学特性、细胞分布、相应单靶点抗体的作用机制等因素,否则一味地将两个靶点进行组合并选择了错误的IgG亚类,则将会为临床开发带来极大的风险。



参考文献
1. Robert F. Graziano and John J. Engelhardt. Role of FccRs in Antibody-Based Cancer Therapy. Current Topics in Microbiology and Immunology. 2019;423:13-34. doi: 10.1007/82_2019_150


2. Ross Stewart, Scott A Hammond, Michael Oberst, Robert W Wilkinson. The role of Fc gamma receptors in the activity of immunomodulatory antibodies for cancer. Journal for ImmunoTherapy of Cancer volume 2, Article number: 29 (2014)

3. Niwa R, Sakurada M, Kobayashi Y, Uehara A, Matsushima K, Ueda R, Nakamura K, Shitara K: Enhanced natural killer cell binding and activation by low-fucose IgG1 antibody results in potent antibody-dependent cellular cytotoxicity induction at lower antigen density. Clin Cancer Res. 2005, 11: 2327-2336.

4. Li F, Ravetch JV. Inhibitory Fcgamma receptor engagement drives adjuvant and anti-tumor activities of agonistic CD40 antibodies. Science, 2011, 333:1030–1034. 









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