在鲨鱼和骆驼中发现的微型抗体可能导致癌症和其他疾病的药物

在鲨鱼和骆驼中发现的微型抗体可能导致癌症和其他疾病的药物

海伦·杜利承认,在描述自己的工作时,她常常会得到疑惑的反应。 “人们说,'你以鲨鱼为生?'”

这是一种夸大其词,但每隔几周她就会和马里兰州巴尔的摩内港海洋与环境技术研究所的几个大型玻璃纤维罐一起帮助。 他们将猫鲨或护士鲨网捕获并将其摔成一小块含有温和镇静剂的水池。 这种药物使鲨鱼平静下来,这样他们就可以将它从水中提起并刺穿尾巴中的静脉。 Dooley说,抽取几毫升血液“不会超过几秒钟”,之后他们将动物送回水族箱恢复。 “他们通常在完全正常游泳,并在一分钟左右后寻找食物。”

马里兰大学医学院(UMD)巴尔的摩医学院的免疫学家Dooley已经开采鲨鱼血20年,其原因与其他研究人员正在排出骆驼,骆驼及其亲属的静脉相同。 所有这些动物都抽出了不寻常的微小抗体,这些抗体只有传统版本的一半左右。

自20世纪80年代后期,布鲁塞尔自由大学(VUB)的科学家偶然发现了这些微小的蛋白质。 但是,“自2012年以来,该领域已经真正起飞,”波士顿儿童医院的生化学家Hidde Ploegh说。 与常规抗体相比,它们的分子甚至更细小的片段(通常称为纳米体)更易于研究人员制造,更耐用,更易溶解。 小抗体可以在细胞内起作用,它们的大小允许它们深入到组织中,常规抗体很难穿透。

这些品质已经将分子确立为有价值的研究工具。 “作为生物化学家,我觉得它们非常有用,”Ploegh说。 他和他的同事们已经将它们用于追踪体内关键免疫蛋白,中和植物病毒和标记癌细胞等多种任务。 但抗体最具启发性的研究作用可能是结合并稳定摇摆不定的蛋白质,以便研究人员可以探测其结构。 “他们一直非常棒的是确定晶体结构,”UMD医学院的进化免疫学家Martin Flajnik说。 事实上,美洲驼纳米抗体是获得最近诺贝尔奖的结构工作的关键。

微型抗体也开始在患者身上证明其价值。 今年晚些时候,第一个来自美洲驼小抗体的纳米抗体治疗预计将在一些国家获得批准用于罕见凝血疾病的人群。 超过40种类似的疗法正在开展各种疾病,如狼疮,肺部感染和癌症。 传统抗体是许多疾病的主要诊断和主要治疗方法,但VUB的分子生物学家Nick Devoogdt预测,他们的小表兄弟会接替使用“常规抗体不太理想的地方”。

当VUB的学生反对分析人体血液进行实验室检查时,小抗体首先被曝光,因为他们担心感染疾病的可能性。 该大学的分子生物学家Serge Muyldermans回忆道,他们还拒绝杀死一只老鼠来获取血液。 Muyldermans说,有些人正在翻身,他们提出了另一种选择:收集冷藏的单峰骆驼血清来研究动物的寄生虫。

但是,当学生完成血液分析时,又出现了另一个明显的问题。 与正常抗体一起,他们筛选出似乎是分子的小尺寸版本。 “我们认为他们做错了什么,”Muyldermans说。 所以他和该大学的其他科学家进一步调查。 对来自同一进化家族的动物园动物的血液进行分析,包括双峰驼和美洲驼,显示所有人都有相同的小型抗体。

研究人员在1993年的一篇Nature论文中公布了他们的发现,并指出了小抗体与其全尺寸抗体之间的关键差异。 常规抗体由四条蛋白质链组成 - 两条重链构成Y形分子的骨架,两条轻链紧紧地附着在外侧。 迷你抗体保持大致相同的形状但缺少轻链。 不寻常的分子如何使动物受益尚不清楚,但几年后Dooley了解它们时,她很着迷。 她的博士学位 她在英国阿伯丁大学(University of Aberdeen)进行研究,开始研究这些免疫怪异问题。

缩小抗体

人类的血液充满了传统的抗体 - 体积庞大的Y形蛋白质,这种蛋白质以细菌和病毒为主。 由鲨鱼和骆驼家族产生的小抗体不仅与免疫分子的大小不同,而且与它们的结构和结合能力不同。

没有轻链 ~15 kDa 重链 目标 分子 分子量: ~150千道尔顿(kDa) 典型抗体 小抗体 纳米抗体结合 纳米抗体 一个实验室 片段的 骆驼或骆驼 小抗体 分享 它的绑定能力。 两条轻链和两条重链交织在一起 制作一种可以识别和粘贴的蛋白质 一些病原体或其他分子。 这种纤细的品种 缺乏轻链但可以 仍然绑定到它的目标。 由于它的绑定风格, 纳米人可以适应 分子上的裂缝。 ~90 kDa 轻链 捆绑 口袋 小抗体和纳米抗体 Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit voluptatem accusantium doloremque laudantium, totam rem aperiam,eaque ipsa quae ab illo inventore veritatis et quasi architecto beatae vitae dicta sunt explicabo。 Nemo enim ipsam voluptatem quia voluptas sit aspernatur aut odit aut fugit。 典型抗体 Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus error sit 意大利人民政府 rem aperiam。 Sed ut perspiciatis unde omnis。 小抗体 Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus错误坐volptatem accusan - tium doloremque。 纳米抗体 Sed ut perspiciatis unde omnis iste nataus错误坐 voluptatem accusantium doloremque accusantium natus错误。 纳米抗体结合 Sed ut perspiciatis unde omnis iste natus 错误坐在volptantim accusantium doloremque accusantium doloremque。
C. BICKEL / SCIENCE

她向VUB研究人员寻求帮助以获取样品,并安排摩洛哥的同事为少数骆驼免疫并送她一些血。 然而,在第一批货物抵达后,这些动物神秘地消失了,可能是因为它们被偷了,她说。 “我进入博士学位一年,我没有博士学位。” 但她很快找到了骆驼的替代品。 1995年,Flajnik及其同事用护士鲨从血液中捕获了一种非常规抗体。 与骆驼版本一样,鲨鱼抗体比常规品种小,缺乏轻链。 Dooley与Flajnik联系并完成了她的博士学位。 研究鲨鱼分子。 然后她继续在他的实验室做博士后的工作。 “那时我们开始深入研究鲨鱼抗体的细节,”她说。

人类和老鼠偶尔会产生仅含有重链的抗体,但研究人员认为它们是由B细胞功能障碍产生的,这些蛋白质是免疫工厂。 相比之下,鲨鱼和骆驼家族的尺寸过小的抗体不是半成品拒绝。 尽管它们缺乏有助于常规抗体识别和捕获抗原的轻链,但它们可以非常特异性地与其靶标紧密结合,并且它们似乎是动物对病原体反应的关键部分。 当Dooley和Flajnik将免疫刺激抗原注入护士鲨时,他们发现在几个月内 - 鲨鱼免疫系统的反应速度比我们慢 - 动物正在生产各种针对外来分子的小抗体。 “它是护士鲨中使用的主要抗体,”Flajnik说。

他和其他研究人员推测,微小的抗体使免疫系统能够抵消更广泛的病原体。 常规抗体在粘附于病毒和细菌分子上的平坦表面方面表现优异。 加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学医学院的结构免疫学家K. Christopher Garcia表示,重链抗体“很瘦,可能能够穿透常规抗体无法进入的峡谷和缝隙。”

Muyldermans指出,小抗体必须具有重要作用,因为它们独立地出现在三种不同的谱系中:鲨鱼,骆驼和可能是另一组鲨鱼状鱼类。 但他们赋予这些动物的优势是一个谜。 Dooley说,科学家对鲨鱼病原体知之甚少,甚至不确定如何判断鲨鱼生病的时间。 “他们不只是蜷缩在角落里。” 即使是骆驼和他们的亲属,他们的疾病得到了更好的理解,研究人员还没有确定小抗体对抗的病原体。 目前,Muyldermans说,“我们不知道”为什么分子会进化。

在鲨鱼和骆驼中发现的微型抗体可能导致癌症和其他疾病的药物

Helen Dooley定期捕获研究水族箱中的鲨鱼以获得小抗体。

马特罗斯

这并没有阻止科学家将它们投入使用。 对于大多数医学和研究应用,它们修剪小抗体,仅留下抗原结合尖端。 Ploegh说,纳米体,如果它们来自骆驼及其亲属,就会被称为,它们有几个方便的属性。 例如,经过充分研究的细菌大肠杆菌可以制造它们。 “你可以在大肠杆菌中以极高的产量表达它们,并且它们易于纯化,”他说。 相比之下,在大肠杆菌中生产工作全尺寸抗体已被证明是困难的,因此研究人员通常从更昂贵的哺乳动物细胞培养物中产生这些抗体。

纳米抗体在细胞内也保持功能,而常规抗体通常在细胞质中分离。 瑞士巴塞尔大学的发育生物学家Markus Affolter说:“突然间,我们可以用抗体在细胞内做聪明的事情。” 他说,一个巧妙的用途是“一种操纵蛋白质的全新方法”。

例如,他和他的同事利用纳米抗体来消除细胞中的特定蛋白质。 该团队开始设计细胞以生产纳米抗体,在其非结合端,携带分子,将蛋白质导向细胞的垃圾处理。 纳米抗体的另一端识别并附着于特定蛋白质。 研究人员在2012年报道,刺激细胞制造纳米抗体导致蛋白质靶标在短短3小时内消失。

通过诱导其基因突变来消耗蛋白质,这是基础研究中的标准方法,可以将其彻底消除。 相比之下,纳米抗体技术允许科学家删除然后恢复分子,更详细地探讨其作用。 例如,在2015年,由德克萨斯州休斯顿贝勒医学院的研究人员领导的一个团队设计了一种果蝇,可以产生一种纳米抗体,可以捕获蛋白质Dunce-这对昆虫的学习和记忆能力至关重要,并促进其破坏。 然后研究人员训练苍蝇以避免某种气味。 当团队激发苍蝇开始制造针对Dunce的纳米抗体时,蛋白质的水平急剧下降,昆虫变得笨拙 - 他们更难学习避免气味。 当团队关闭抗体的生产时,Dunce的丰度反弹,苍蝇再次变得聪明。

由于纳米体深入到它们所结合的分子的角落和缝隙中,因此这些碎片也成为研究人员试图稳定软体分子以使其结晶的最佳选择,这是确定其结构的第一步。 也许是他们最令人印象深刻的表现,纳米机构使斯坦福大学医学院的Brian Kobilka和他的同事们能够捕获活化的G蛋白偶联受体(GPCR)的第一个结构。 那些细胞膜蛋白将大量信号传递到细胞内:让你的心脏竞争的肾上腺素,减轻手术后患者疼痛的吗啡,一杯咖啡中的苦味 - 都通过GPCR起作用,GPCR也是目标大约三分之一的药物。 研究人员已经尝试了大约20年的时间来获得典型的,开启的GPCR的晶体结构,但这些分子过于狡猾。

然后Kobilka在一次会议上遇到了VUB的结构生物学家Jan Steyaert,两人决定尝试纳米抗体。 研究人员和他们的同事用人β2-肾上腺素受体注射了一只美洲驼,它对肾上腺素有反应,并从动物的血液中制备了一组夹在受体上的纳米抗体。 在2011年的一篇Nature论文中,科学家们发现,一个纳米抗体将GPCR锁定在一个活跃的形状中,使它们能够确定其晶体结构。 加西亚说,“这对分子来说是一次毁灭性的有效利用”,2012年,科比尔卡分享了诺贝尔化学奖。

与Kobilka和Steyaert一样,需要供应小抗体或纳米抗体的研究人员通常从已经用特定抗原免疫的美洲驼,骆驼或鲨鱼开始。 作为回应,动物的免疫细胞开始产生识别并固定在抗原上的小抗体。 从动物体内分离的血细胞使科学家们能够获得这些抗体的基因,然后将这些基因插入细菌或其他微生物中,合成大量的免疫分子。 但这些动物可能需要一个月或更长时间才能对抗原产生反应,并产生新的小抗体,而美洲驼和它们的亲属不会制造针对某些与其自身非常相似的人类蛋白质的版本,哈佛的结构生物学家Andrew Kruse指出波士顿医学院。

今年早些时候,他和他的同事推出了一种合成纳米抗体库,他们说这些库可以克服这些限制。 研究人员不是依靠动物作为抗体基因的来源,而是合成DNA序列来制作自己的DNA序列。 使用公开的结构和已知纳米抗体的相应氨基酸序列作为指导,他们创造了超过1亿个定制纳米抗体基因。 他们将基因放入酵母细胞中,酵母细胞作为分子的工厂。 测试表明,“完全合成的文库至少与动物免疫接种一样好,”Kruse说。 他和他的同事将把它发给任何支付运费的学术研究人员。 克鲁斯说他们每周要派遣大约10到15个包裹。

然而,Muyldermans和Steyaert认为动物衍生的纳米抗体比完全实验室的替代品更能与目标结合,所以他们坚持使用老式的方法。 “你永远不会改变一支胜利的球队,这些骆驼在我的球队中,”Steyaert说。

骆驼 - 以及鲨鱼和骆驼 - 可能很快就会帮助患者。 总部位于比利时Ghent的公司Ablynx,从发现非正统抗体的原始小组中脱离出来,已经完成了一项有关这种蛋白质caplacizumab的III期有效性试验,用于治疗血栓性血小板减少性紫癜的罕见疾病,其中有许多血栓可引发中风,器官衰竭或死亡。 Ablynx的首席执行官埃德温·摩西(Edwin Moses)指出,这种美洲驼来源的分子通过锁定和灭活一种名为von Willebrand因子促进凝血的血液蛋白起作用,而且它比传统抗体更加紧贴。 该公司于2017年12月在亚特兰大举行的美国血液学会会议上公布了该试验的积极成果,该公司已申请批准在欧洲销售这种药物,并计划在今年晚些时候在美国也这样做。

至少有七种其他小抗体衍生疗法已经达到临床试验 - 针对类风湿性关节炎,牛皮癣和狼疮等疾病 - 目前正在开发30多种其他治疗方法。 大多数这些分子来自骆驼及其亲属的抗体,但是由澳大利亚墨尔本的AdAlta公司生产的第一种鲨鱼药物应该在今年晚些时候进入临床试验,该公司首席科学家Mick Foley说。官。 该药物旨在减轻肺纤维化,这是由瘢痕组织的积聚引起的器官僵硬。

在鲨鱼和骆驼中发现的微型抗体可能导致癌症和其他疾病的药物

海伦·杜利(Helen Dooley)开始研究鲨鱼的小抗体,因为她失去了骆驼血液样本,这些骆驼的血液样本中含有相似的免疫蛋白。

马特罗斯

研究人员还希望小抗体的独特性能使它们能够撬开血脑屏障,这是治疗许多脑部疾病的障碍,因为它会拒绝大多数大分子,包括标准抗体和许多其他药物。 总部位于宾夕法尼亚州费城的生物技术公司Ossianix公司制造了一种鲨鱼小抗体碎片,该抗体可与控制穿过屏障的受体结合。 Ossianix首席执行官Frank Walsh表示,通过刺激受体,该片段可能为诸如利妥昔单抗(一种致癌的常规抗体)等药物开辟道路,进入大脑。

其他应用程序正在招手。 研究人员可以为小抗体配备治疗性货物,例如其他药物或杀癌放射性化合物,而不会使它们如此庞大以至于不能渗透到组织或肿瘤中。 此外,肾脏迅速过滤血液中的分子以排泄 - 当货物具有放射性时,这是一种好处。 还可以将微小的抗体与放射性或荧光示踪剂融合,以照射肿瘤甚至指导手术。 Devoogdt说,为了使肿瘤可视化,例如,“你需要与癌症紧密结合的小分子”。 快速清除示踪剂也是一个优点,因为它可以减少背景噪音,使肿瘤难以辨别。 他和他的同事以及其他几个小组已经对纳米抗体进行了肿瘤可视化试剂的安全性试验,他们希望明年开始测试这些分子对患者的治疗用途。

研究人员警告说,小抗体确实对医学有一些缺点。 如果分子在患者获得全部益处之前离开身体,那么分子的快速排泄可能是一个缺点。 根特大学生物化学家Jan Gettemans指出,另一个缺点是,与许多重要药物(包括他汀类药物和抗HIV药物叠氮胸苷)不同,抗体不能自行进入细胞。 研究人员可以通过基因改变细胞将它们带入细胞质来生产细胞质,但这对于大多数治疗来说都是不可行的。 虽然简短的研究表明小抗体对患者是安全的,但“人类在很长一段时间内都没有明确的经验,”Gettemans说。 但他和其他研究人员认为,小抗体的优势超过了它们的缺点,并且相信它们“将成为武器装备的一部分”,正如沃尔什所说的那样。

与此同时,他们构成的奥秘继续进入杜利。 她在制药公司的小抗体项目上做了4年的药物开发工作 - 但是现在当她将一管鲨鱼血带回她的实验室时,她通常会尝试回答基本问题,例如动物如何开启他们的抗体制造细胞。 她也喜欢鲨鱼。 “它们是美丽的动物。” 如果有人偷了她最初打算学习的骆驼,她说,“他们真的帮我一个忙。”

*更正,5月11日,下午2:10:这个故事的早期版本错误地说明了Hidde Ploegh的隶属关系。

Write a Comment

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注