上一篇我们讲了一个核心判断抗体人源化不是把一条鼠源抗体序列改得更像人而是在降低非人源可变区风险的同时尽量保住一个已经被实验验证过的分子表型。这个表型包括什么不是只有 binding。还包括它识别哪个 epitope以什么角度结合 antigenCDR loop 处在什么构象VH 和 VL 以什么 orientation 形成 paratope以及这个分子是否还能保持表达、稳定性和可开发性。但这会带来一个新的问题如果人源化不是简单“mouse-to-human”那么鼠抗、嵌合抗体、人源化抗体和全人源抗体之间到底应该怎么理解这篇文章想讲清楚三件事。第一四类抗体不是一个简单的“从落后到先进”的等级表。鼠抗、嵌合、人源化、全人源分别是在不同研发阶段解决不同问题。第二抗体形式的变化不只是“人源成分比例”的变化更是对 antibody framework 的不同处理方式。尤其到了人源化阶段真正难的地方不是保留 CDR而是保住 CDR 所依赖的结构背景。第三理解人源化不能绕开 Vernier residues、VH/VL orientation 和 CDR structural context。因为很多时候binding 和 function 的下降并不是 CDR 序列变了而是支撑 CDR 的 framework、重轻链取向和局部 packing 变了。这篇文章不是想做一张概念表告诉大家 mouse antibody、chimeric antibody、humanized antibody、fully human antibody 分别是什么。更重要的是想说明这些抗体形式背后对应的是不同的研发问题、不同的结构约束以及不同的工程取舍。在开始今天的内容之前先把几个常见术语说清楚。鼠源抗体Mouse antibody通常指来源于小鼠免疫、杂交瘤等体系的抗体。优势是可以通过真实免疫筛选获得特异性和功能表型问题是非人源成分较多临床应用可能诱发免疫反应。嵌合抗体Chimeric antibody保留 mouse VH/VL将 constant region 换成人源恒定区。它降低了恒定区鼠源性但 mouse Fv 仍然存在。人源化抗体Humanized antibody通常保留 mouse CDR将其移植到 human framework 上并根据需要保留或恢复部分关键 mouse framework residues。核心难点是降低非人源风险的同时保留 CDR 构象、VH/VL orientation 和功能表型。全人源抗体Fully human antibody可变区和恒定区均为人源序列可通过 human B-cell、display library、转基因动物等方式获得。它从来源上降低非人源成分但不等于没有免疫原性也不能跳过功能和可开发性验证。可变区Complementarity-Determining Region, CDR抗体可变区中最主要参与抗原识别的高变区域。CDR 是抗体补位Paratope的核心组成部分但它的构象依赖 framework 支撑。框架区Framework, FR 位于 CDR 之外的可变区结构区域。它不仅是支架还会影响 CDR loop 构象、VH/VL orientation、局部 packing 和抗体稳定性。Vernier 位点通常位于 CDR 下方或邻近区域的 framework residues。它们未必直接接触 antigen却可能通过支撑 CDR loop、调节 packing 和改变 loop 位置影响 binding。重轻链取向指 VH 和 VL 两个 variable domains 的相对空间关系。它决定六条 CDR 如何共同组成 antigen-binding site是影响 paratope geometry 的关键因素。抗原结合表面抗体上直接或间接参与 antigen recognition 的结构表面。它不等于 CDR 序列本身而是 CDR、部分 framework residues 以及 VH/VL 空间关系共同形成的三维界面。回复突变Back mutation在人源化候选中选择性恢复部分 parental mouse residues。它不是简单“改回去”而是为了保留关键结构支撑、CDR 构象、VH/VL orientation 或 binding function。人抗鼠抗体反应Human Anti-Mouse Antibody, HAMA人体针对鼠源抗体产生的抗体反应是早期鼠源单抗临床应用中非常突出的免疫原性问题。抗药抗体Anti-Drug Antibody, ADA人体针对治疗性药物产生的抗药抗体。ADA 可能影响 PK、PD、疗效和安全性但需要结合滴度、持续性、中和活性和临床影响综合判断。可开发性Developability指抗体能否顺利进入后续开发的综合性质包括 expression、folding、aggregation、thermal stability、solubility、self-interaction、polyspecificity 和制剂适配性等。鼠抗最早解决的不是成药而是发现今天看鼠抗很容易先看到它的缺点非人源成分多进入人体后可能诱发 HAMA 或 ADA临床开发风险较高。但在抗体技术发展的早期鼠抗首先解决的不是“如何得到低免疫原性的治疗性抗体”而是一个更基础的问题如何稳定获得一条针对特定 antigen 的 monoclonal antibody杂交瘤技术的意义就在这里。小鼠经过抗原免疫后会产生针对该 antigen 的 B 细胞。研究人员将这些 B 细胞与可以持续增殖的骨髓瘤细胞融合就能得到既能分泌特异性抗体、又能长期扩增的杂交瘤细胞。这让抗体研发第一次可以比较稳定地获得一条特异性单抗。所以鼠抗的价值不只是它有一条 VH/VL sequence。更重要的是它通常已经经历过实验筛选。它可能已经证明能结合 target能识别天然构象下的 antigen能在 cell binding 中看到信号也可能已经在 blocking、agonism、internalization 或其他 functional assay 中表现出效果。换句话说一条 mouse mAb 不是一个抽象序列。它是一个已经被实验看见过的分子表型。这也是为什么在真实项目里如果手里已经有一条 binding 很好、function 也不错的 mouse antibody我们并不会轻易说既然它不是人源的那就直接丢掉重新从 fully human library 里找一条。因为重新找一条抗体未必能识别同一 epitope也未必能形成同样的 binding geometry更未必能保留原来的 mechanism of action。即使两条抗体都打同一个 target它们也可能因为表位不同、结合角度不同、受体组织方式不同最后产生完全不同的功能。所以鼠抗不是“不好”。它只是解决了第一个问题又留下了第二个问题。它解决的是抗体发现问题留下的是人体应用时的异源性和免疫原性问题。嵌合抗体先把 constant region 放进 human IgG 语境如果整条 antibody 都是 mouse-derived那么 variable region 和 constant region 都可能被人体免疫系统识别为非自身成分。嵌合抗体做的第一步很直接保留 mouse antibody 的 VH/VL把 mouse constant region 换成人源 constant region。这一步很关键。因为 constant region 不只是“尾巴”。它决定 Fc 相关性质也影响抗体在人体内的效应功能、半衰期和免疫系统交互方式。把 constant region 换成人源可以明显减少鼠源恒定区带来的异源性同时让分子开始进入 human IgG 的开发语境。但嵌合抗体并没有解决全部问题。因为它保留了完整的 mouse Fv。也就是说真正负责 antigen recognition 的 VH 和 VL 仍然来自小鼠。对于人体免疫系统来说这部分仍然可能是非自身的也仍然可能诱发针对 variable region 的免疫反应。所以chimeric antibody 的意义不是“已经完成了人源化”。它只是把问题往前推了一步constant region 的鼠源性降低了但 mouse variable region 仍然存在。从工程角度看嵌合抗体有一个重要优势它对原始 paratope 的扰动通常比较小。因为 VH/VL 没有被大规模替换原本由 mouse variable domains 形成的 CDR 构象、VH/VL orientation 和抗原结合表面大体还在。对于早期 proof-of-concept、机制验证或作为 parental controlchimeric antibody 很有价值。但如果目标是长期治疗性开发它通常还不够。原因很简单mouse Fv 仍然是 mouse Fv。人源化抗体难点从“换恒定区”进入“换结构背景”人源化抗体往前走了一步。它不再只处理 constant region而是开始处理 variable region 里的 mouse framework。经典做法是 CDR grafting保留 mouse antibody 的 CDR把这些 CDR 移植到 human framework 上如果亲和力或功能下降再根据结构判断恢复一部分关键 mouse framework residues也就是常说的 back mutation。这个思路看起来很自然。如果 CDR 是主要抗原结合区域那么保留 CDR 就有机会保留原来的 paratope。如果 framework 换成人源就可以减少 variable region 中的非人源成分。但人源化真正变难也正是从这里开始的。因为 CDR 不是可以随便搬家的独立模块。CDR loop 的构象依赖 framework。Framework 不只是一个“支架”它会影响 CDR 的空间位置、loop 构象、side-chain rotamer、VH/VL orientation以及抗原结合界面的电荷和疏水分布。尤其是 Vernier 位点。Foote 和 Winter 在 1992 年提出 Vernier zone 的概念用来解释某些 framework residues 虽然不直接接触 antigen却位于 CDR 下方或邻近位置能够像“垫片”一样调节 hypervariable loops 的形状、大小和位置。这类位点非常容易被低估。因为如果只看 antibody-antigen interface它们可能并不直接接触 antigen。如果只看序列比对它们可能只是普通 framework residue。但从结构上看它们可能正在支撑 CDR loop影响 β-sheet packing改变 CDR 的侧链朝向甚至决定 paratope 的几何形状。这也是为什么 CDR grafting 有时会失败。表面上看CDR sequence 没有变。但它下面的结构背景变了。原来 mouse framework 提供的 packing 消失了某个 Vernier residue 被换掉了VH/VL interface 的细微相互作用变了重链和轻链的相对角度发生偏移原本指向 antigen 的关键 side chain 旋转到了另一个方向。这时binding 下降并不奇怪。因为抗原识别依赖的不是 CDR 字符串而是整个 paratope geometry。所以CDR grafting 的正确理解不是保留 CDR替换 framework。更准确地说应该是尽量保留原有 paratope同时更换它的结构背景。这句话是理解人源化的核心。一旦更换结构背景原来的 binding 和 function 就不再是理所当然的结果而是一个需要重新验证的假设。为什么 VH/VL orientation 这么重要很多时候我们讲人源化容易把注意力全部放在 CDR 和 framework 的局部位点上。但还有一个问题同样关键VH/VL orientation。抗体的 antigen-binding site 并不是单独由重链或轻链决定而是由 VH 和 VL 两个 domain 共同组成。CDR-H1、H2、H3 和 CDR-L1、L2、L3 不是六条孤立的 loop而是在 VH/VL 配对后共同形成一个三维结合表面。这意味着VH 和 VL 的相对角度、距离和旋转方式会直接影响 paratope 的整体形状。如果 human framework 的替换改变了 VH/VL interface即使每条 CDR loop 本身变化不大整个结合表面也可能发生偏移。原来能同时接触 antigen 上两个区域的侧链现在可能距离不对原来形成 pocket 的重链和轻链残基现在可能开口变大或变小原来一个关键氢键网络可能因为 VH/VL 相对位置改变而断开。所以人源化时不能只问CDR 有没有保留还要问CDR 所依赖的 VH/VL 空间关系有没有保留这也是为什么有些人源化候选在序列上看起来很合理CDR 也完整保留但实验 affinity 仍然明显下降。它不是 CDR “丢了”而是 CDR 站的位置变了。而抗体结合往往就是这样敏感。一个 loop 偏一点一个芳香侧链转一点一个 VH/VL 角度变一点最后都可能被 SPR、BLI、cell binding 或 functional assay 放大成非常明显的差异。Back mutation 不是倒退而是结构判断在人源化项目里back mutation 经常被误解成一种“改坏了以后再改回来”的补救动作。这个理解太粗了。Back mutation 更准确的含义是选择性恢复那些对 parental phenotype 有结构贡献的 mouse residues。有些 mouse framework residues 之所以需要保留并不是因为我们舍不得把它改成人源而是因为它可能承担了重要结构功能。它可能是 Vernier residue支撑某条 CDR loop可能位于 VH/VL interface维持重轻链配对角度可能参与局部 hydrogen-bond network可能影响某个关键 side chain 的 rotamer也可能通过 packing 维持 paratope 的稳定形状。如果这些位点被全部替换成人源残基human-likeness 当然提高了但原来的 binding geometry 可能被破坏。这就是人源化里最现实的矛盾不是所有 mouse residues 都是风险也不是所有 human residues 都是收益。有些 mouse residue 是异源性的来源需要尽量减少但有些 mouse residue 也是原始功能表型得以成立的结构条件需要谨慎保留。所以CDR grafting back mutation 至今仍然有生命力。它不是过时经验学而是一套非常合理的工程先验已经验证过的 parental paratope 是宝贵信息不应轻易破坏但非人源 framework 又需要尽量减少于是必须在 human-likeness 和结构保真之间找到平衡。全人源抗体从源头降低风险但不是终点再往前一步就是 fully human antibody。全人源抗体使用人源可变区和恒定区可以来自 human B-cell、phage/display library、yeast display、转基因动物等平台。它的优势很明确。如果从发现源头就获得 human antibody sequence那么非人源序列带来的免疫原性风险通常更低。它不需要把 mouse CDR 强行搬到 human framework 上也不需要大规模讨论哪些 mouse framework residues 需要保留。但 fully human antibody 不是万能答案。第一全人源不等于绝对没有免疫原性。免疫原性不是只由物种来源决定。Aggregation、chemical modification、glycosylation、formulation、给药方式、给药频率、患者疾病状态和免疫背景都会影响 ADA 风险。所以fully human 只能降低一部分风险不能保证没有 ADA。第二全人源抗体也不能跳过功能验证。一个 fully human antibody 可能来源更“干净”但它仍然需要证明自己能识别正确 epitope保留正确 function具备足够好的 expression、stability、solubility 和 developability。第三全人源路线不一定适合所有项目。如果项目一开始就有合适的 fully human discovery platform当然可以优先从全人源抗体开始。但很多真实项目中团队手里已经有一条功能明确的 mouse mAb。它的 epitope、binding mode 或 mechanism 已经被实验验证。这时重新从 fully human library 里找一条“功能完全等价”的抗体并不一定比对现有 mouse mAb 做 humanization 更低风险。所以全人源抗体不是人源化抗体的简单终结者。它是一条重要路线但不是所有项目的唯一正确路线。四类抗体不是等级而是 framework 介入程度不同现在再回头看 mouse、chimeric、humanized 和 fully human antibody就不应该把它们理解成简单的“从低级到高级”。更合理的理解是mouse mAb 解决的是发现问题。它给了我们一条已经被实验筛出来的功能起点。chimeric antibody 解决的是 constant region 的异源性问题。它保留 mouse Fv把分子放入 human IgG 的语境。humanized antibody 进一步处理 variable framework。它试图减少 mouse framework同时保留 CDR 构象、Vernier 支撑、VH/VL orientation 和 parental paratope。fully human antibody 则从发现源头减少非人源成分但仍然需要面对 function、structure 和 developability 验证。所以这四类抗体真正的区别不只是“人源成分比例不同”。更重要的是它们对原始 binding structure 的保留程度不同对 framework 的处理方式不同面对的工程风险也不同。嵌合抗体基本保留 mouse VH/VL因此对原始 CDR 结构背景扰动较小但 mouse Fv 仍然带来免疫原性风险。人源化抗体开始替换 framework因此可以降低 variable region 的非人源成分但也最容易触碰 CDR 构象、Vernier residues 和 VH/VL orientation。全人源抗体从来源上避免了 mouse framework 的迁移问题但如果目标是复现某条 mouse mAb 的特定表位和机制它又未必天然等价。这就是为什么真实项目里不会只问哪一种抗体形式最高级而会问当前手里有什么分子它已经证明了什么我们下一步要降低什么风险又绝不能破坏什么结构和功能全人源不是终点低风险可开发分子才是终点很多时候抗体工程里的词会给人一种错觉mouse、chimeric、humanized、fully human好像越往后越先进。但真实研发不是这样。所以问题不应该是哪一种抗体形式最高级而应该是当前项目手里有什么分子它已经证明了什么我们下一步要降低什么风险又绝不能破坏什么功能和结构当我们这样看mouse、chimeric、humanized 和 fully human antibody 就不再是四个静态定义而是四种不同研发处境下的工程选择。这也为下一篇文章埋下了一个更关键的问题。如果全人源也不等于绝对低免疫原性如果 humanized 也不等于简单提高 human-like score那么我们就必须继续追问为什么 human-like 不等于低免疫原性下一篇我们就从 ADA、sequence、structure、aggregation、formulation 和 patient context 这些因素开始把这个问题讲清楚。 鼠抗、嵌合、人源化、全人源，到底有什么区别？
上一篇我们讲了一个核心判断抗体人源化不是把一条鼠源抗体序列改得更像人而是在降低非人源可变区风险的同时尽量保住一个已经被实验验证过的分子表型。这个表型包括什么不是只有 binding。还包括它识别哪个 epitope以什么角度结合 antigenCDR loop 处在什么构象VH 和 VL 以什么 orientation 形成 paratope以及这个分子是否还能保持表达、稳定性和可开发性。但这会带来一个新的问题如果人源化不是简单“mouse-to-human”那么鼠抗、嵌合抗体、人源化抗体和全人源抗体之间到底应该怎么理解这篇文章想讲清楚三件事。第一四类抗体不是一个简单的“从落后到先进”的等级表。鼠抗、嵌合、人源化、全人源分别是在不同研发阶段解决不同问题。第二抗体形式的变化不只是“人源成分比例”的变化更是对 antibody framework 的不同处理方式。尤其到了人源化阶段真正难的地方不是保留 CDR而是保住 CDR 所依赖的结构背景。第三理解人源化不能绕开 Vernier residues、VH/VL orientation 和 CDR structural context。因为很多时候binding 和 function 的下降并不是 CDR 序列变了而是支撑 CDR 的 framework、重轻链取向和局部 packing 变了。这篇文章不是想做一张概念表告诉大家 mouse antibody、chimeric antibody、humanized antibody、fully human antibody 分别是什么。更重要的是想说明这些抗体形式背后对应的是不同的研发问题、不同的结构约束以及不同的工程取舍。在开始今天的内容之前先把几个常见术语说清楚。鼠源抗体Mouse antibody通常指来源于小鼠免疫、杂交瘤等体系的抗体。优势是可以通过真实免疫筛选获得特异性和功能表型问题是非人源成分较多临床应用可能诱发免疫反应。嵌合抗体Chimeric antibody保留 mouse VH/VL将 constant region 换成人源恒定区。它降低了恒定区鼠源性但 mouse Fv 仍然存在。人源化抗体Humanized antibody通常保留 mouse CDR将其移植到 human framework 上并根据需要保留或恢复部分关键 mouse framework residues。核心难点是降低非人源风险的同时保留 CDR 构象、VH/VL orientation 和功能表型。全人源抗体Fully human antibody可变区和恒定区均为人源序列可通过 human B-cell、display library、转基因动物等方式获得。它从来源上降低非人源成分但不等于没有免疫原性也不能跳过功能和可开发性验证。可变区Complementarity-Determining Region, CDR抗体可变区中最主要参与抗原识别的高变区域。CDR 是抗体补位Paratope的核心组成部分但它的构象依赖 framework 支撑。框架区Framework, FR 位于 CDR 之外的可变区结构区域。它不仅是支架还会影响 CDR loop 构象、VH/VL orientation、局部 packing 和抗体稳定性。Vernier 位点通常位于 CDR 下方或邻近区域的 framework residues。它们未必直接接触 antigen却可能通过支撑 CDR loop、调节 packing 和改变 loop 位置影响 binding。重轻链取向指 VH 和 VL 两个 variable domains 的相对空间关系。它决定六条 CDR 如何共同组成 antigen-binding site是影响 paratope geometry 的关键因素。抗原结合表面抗体上直接或间接参与 antigen recognition 的结构表面。它不等于 CDR 序列本身而是 CDR、部分 framework residues 以及 VH/VL 空间关系共同形成的三维界面。回复突变Back mutation在人源化候选中选择性恢复部分 parental mouse residues。它不是简单“改回去”而是为了保留关键结构支撑、CDR 构象、VH/VL orientation 或 binding function。人抗鼠抗体反应Human Anti-Mouse Antibody, HAMA人体针对鼠源抗体产生的抗体反应是早期鼠源单抗临床应用中非常突出的免疫原性问题。抗药抗体Anti-Drug Antibody, ADA人体针对治疗性药物产生的抗药抗体。ADA 可能影响 PK、PD、疗效和安全性但需要结合滴度、持续性、中和活性和临床影响综合判断。可开发性Developability指抗体能否顺利进入后续开发的综合性质包括 expression、folding、aggregation、thermal stability、solubility、self-interaction、polyspecificity 和制剂适配性等。鼠抗最早解决的不是成药而是发现今天看鼠抗很容易先看到它的缺点非人源成分多进入人体后可能诱发 HAMA 或 ADA临床开发风险较高。但在抗体技术发展的早期鼠抗首先解决的不是“如何得到低免疫原性的治疗性抗体”而是一个更基础的问题如何稳定获得一条针对特定 antigen 的 monoclonal antibody杂交瘤技术的意义就在这里。小鼠经过抗原免疫后会产生针对该 antigen 的 B 细胞。研究人员将这些 B 细胞与可以持续增殖的骨髓瘤细胞融合就能得到既能分泌特异性抗体、又能长期扩增的杂交瘤细胞。这让抗体研发第一次可以比较稳定地获得一条特异性单抗。所以鼠抗的价值不只是它有一条 VH/VL sequence。更重要的是它通常已经经历过实验筛选。它可能已经证明能结合 target能识别天然构象下的 antigen能在 cell binding 中看到信号也可能已经在 blocking、agonism、internalization 或其他 functional assay 中表现出效果。换句话说一条 mouse mAb 不是一个抽象序列。它是一个已经被实验看见过的分子表型。这也是为什么在真实项目里如果手里已经有一条 binding 很好、function 也不错的 mouse antibody我们并不会轻易说既然它不是人源的那就直接丢掉重新从 fully human library 里找一条。因为重新找一条抗体未必能识别同一 epitope也未必能形成同样的 binding geometry更未必能保留原来的 mechanism of action。即使两条抗体都打同一个 target它们也可能因为表位不同、结合角度不同、受体组织方式不同最后产生完全不同的功能。所以鼠抗不是“不好”。它只是解决了第一个问题又留下了第二个问题。它解决的是抗体发现问题留下的是人体应用时的异源性和免疫原性问题。嵌合抗体先把 constant region 放进 human IgG 语境如果整条 antibody 都是 mouse-derived那么 variable region 和 constant region 都可能被人体免疫系统识别为非自身成分。嵌合抗体做的第一步很直接保留 mouse antibody 的 VH/VL把 mouse constant region 换成人源 constant region。这一步很关键。因为 constant region 不只是“尾巴”。它决定 Fc 相关性质也影响抗体在人体内的效应功能、半衰期和免疫系统交互方式。把 constant region 换成人源可以明显减少鼠源恒定区带来的异源性同时让分子开始进入 human IgG 的开发语境。但嵌合抗体并没有解决全部问题。因为它保留了完整的 mouse Fv。也就是说真正负责 antigen recognition 的 VH 和 VL 仍然来自小鼠。对于人体免疫系统来说这部分仍然可能是非自身的也仍然可能诱发针对 variable region 的免疫反应。所以chimeric antibody 的意义不是“已经完成了人源化”。它只是把问题往前推了一步constant region 的鼠源性降低了但 mouse variable region 仍然存在。从工程角度看嵌合抗体有一个重要优势它对原始 paratope 的扰动通常比较小。因为 VH/VL 没有被大规模替换原本由 mouse variable domains 形成的 CDR 构象、VH/VL orientation 和抗原结合表面大体还在。对于早期 proof-of-concept、机制验证或作为 parental controlchimeric antibody 很有价值。但如果目标是长期治疗性开发它通常还不够。原因很简单mouse Fv 仍然是 mouse Fv。人源化抗体难点从“换恒定区”进入“换结构背景”人源化抗体往前走了一步。它不再只处理 constant region而是开始处理 variable region 里的 mouse framework。经典做法是 CDR grafting保留 mouse antibody 的 CDR把这些 CDR 移植到 human framework 上如果亲和力或功能下降再根据结构判断恢复一部分关键 mouse framework residues也就是常说的 back mutation。这个思路看起来很自然。如果 CDR 是主要抗原结合区域那么保留 CDR 就有机会保留原来的 paratope。如果 framework 换成人源就可以减少 variable region 中的非人源成分。但人源化真正变难也正是从这里开始的。因为 CDR 不是可以随便搬家的独立模块。CDR loop 的构象依赖 framework。Framework 不只是一个“支架”它会影响 CDR 的空间位置、loop 构象、side-chain rotamer、VH/VL orientation以及抗原结合界面的电荷和疏水分布。尤其是 Vernier 位点。Foote 和 Winter 在 1992 年提出 Vernier zone 的概念用来解释某些 framework residues 虽然不直接接触 antigen却位于 CDR 下方或邻近位置能够像“垫片”一样调节 hypervariable loops 的形状、大小和位置。这类位点非常容易被低估。因为如果只看 antibody-antigen interface它们可能并不直接接触 antigen。如果只看序列比对它们可能只是普通 framework residue。但从结构上看它们可能正在支撑 CDR loop影响 β-sheet packing改变 CDR 的侧链朝向甚至决定 paratope 的几何形状。这也是为什么 CDR grafting 有时会失败。表面上看CDR sequence 没有变。但它下面的结构背景变了。原来 mouse framework 提供的 packing 消失了某个 Vernier residue 被换掉了VH/VL interface 的细微相互作用变了重链和轻链的相对角度发生偏移原本指向 antigen 的关键 side chain 旋转到了另一个方向。这时binding 下降并不奇怪。因为抗原识别依赖的不是 CDR 字符串而是整个 paratope geometry。所以CDR grafting 的正确理解不是保留 CDR替换 framework。更准确地说应该是尽量保留原有 paratope同时更换它的结构背景。这句话是理解人源化的核心。一旦更换结构背景原来的 binding 和 function 就不再是理所当然的结果而是一个需要重新验证的假设。为什么 VH/VL orientation 这么重要很多时候我们讲人源化容易把注意力全部放在 CDR 和 framework 的局部位点上。但还有一个问题同样关键VH/VL orientation。抗体的 antigen-binding site 并不是单独由重链或轻链决定而是由 VH 和 VL 两个 domain 共同组成。CDR-H1、H2、H3 和 CDR-L1、L2、L3 不是六条孤立的 loop而是在 VH/VL 配对后共同形成一个三维结合表面。这意味着VH 和 VL 的相对角度、距离和旋转方式会直接影响 paratope 的整体形状。如果 human framework 的替换改变了 VH/VL interface即使每条 CDR loop 本身变化不大整个结合表面也可能发生偏移。原来能同时接触 antigen 上两个区域的侧链现在可能距离不对原来形成 pocket 的重链和轻链残基现在可能开口变大或变小原来一个关键氢键网络可能因为 VH/VL 相对位置改变而断开。所以人源化时不能只问CDR 有没有保留还要问CDR 所依赖的 VH/VL 空间关系有没有保留这也是为什么有些人源化候选在序列上看起来很合理CDR 也完整保留但实验 affinity 仍然明显下降。它不是 CDR “丢了”而是 CDR 站的位置变了。而抗体结合往往就是这样敏感。一个 loop 偏一点一个芳香侧链转一点一个 VH/VL 角度变一点最后都可能被 SPR、BLI、cell binding 或 functional assay 放大成非常明显的差异。Back mutation 不是倒退而是结构判断在人源化项目里back mutation 经常被误解成一种“改坏了以后再改回来”的补救动作。这个理解太粗了。Back mutation 更准确的含义是选择性恢复那些对 parental phenotype 有结构贡献的 mouse residues。有些 mouse framework residues 之所以需要保留并不是因为我们舍不得把它改成人源而是因为它可能承担了重要结构功能。它可能是 Vernier residue支撑某条 CDR loop可能位于 VH/VL interface维持重轻链配对角度可能参与局部 hydrogen-bond network可能影响某个关键 side chain 的 rotamer也可能通过 packing 维持 paratope 的稳定形状。如果这些位点被全部替换成人源残基human-likeness 当然提高了但原来的 binding geometry 可能被破坏。这就是人源化里最现实的矛盾不是所有 mouse residues 都是风险也不是所有 human residues 都是收益。有些 mouse residue 是异源性的来源需要尽量减少但有些 mouse residue 也是原始功能表型得以成立的结构条件需要谨慎保留。所以CDR grafting back mutation 至今仍然有生命力。它不是过时经验学而是一套非常合理的工程先验已经验证过的 parental paratope 是宝贵信息不应轻易破坏但非人源 framework 又需要尽量减少于是必须在 human-likeness 和结构保真之间找到平衡。全人源抗体从源头降低风险但不是终点再往前一步就是 fully human antibody。全人源抗体使用人源可变区和恒定区可以来自 human B-cell、phage/display library、yeast display、转基因动物等平台。它的优势很明确。如果从发现源头就获得 human antibody sequence那么非人源序列带来的免疫原性风险通常更低。它不需要把 mouse CDR 强行搬到 human framework 上也不需要大规模讨论哪些 mouse framework residues 需要保留。但 fully human antibody 不是万能答案。第一全人源不等于绝对没有免疫原性。免疫原性不是只由物种来源决定。Aggregation、chemical modification、glycosylation、formulation、给药方式、给药频率、患者疾病状态和免疫背景都会影响 ADA 风险。所以fully human 只能降低一部分风险不能保证没有 ADA。第二全人源抗体也不能跳过功能验证。一个 fully human antibody 可能来源更“干净”但它仍然需要证明自己能识别正确 epitope保留正确 function具备足够好的 expression、stability、solubility 和 developability。第三全人源路线不一定适合所有项目。如果项目一开始就有合适的 fully human discovery platform当然可以优先从全人源抗体开始。但很多真实项目中团队手里已经有一条功能明确的 mouse mAb。它的 epitope、binding mode 或 mechanism 已经被实验验证。这时重新从 fully human library 里找一条“功能完全等价”的抗体并不一定比对现有 mouse mAb 做 humanization 更低风险。所以全人源抗体不是人源化抗体的简单终结者。它是一条重要路线但不是所有项目的唯一正确路线。四类抗体不是等级而是 framework 介入程度不同现在再回头看 mouse、chimeric、humanized 和 fully human antibody就不应该把它们理解成简单的“从低级到高级”。更合理的理解是mouse mAb 解决的是发现问题。它给了我们一条已经被实验筛出来的功能起点。chimeric antibody 解决的是 constant region 的异源性问题。它保留 mouse Fv把分子放入 human IgG 的语境。humanized antibody 进一步处理 variable framework。它试图减少 mouse framework同时保留 CDR 构象、Vernier 支撑、VH/VL orientation 和 parental paratope。fully human antibody 则从发现源头减少非人源成分但仍然需要面对 function、structure 和 developability 验证。所以这四类抗体真正的区别不只是“人源成分比例不同”。更重要的是它们对原始 binding structure 的保留程度不同对 framework 的处理方式不同面对的工程风险也不同。嵌合抗体基本保留 mouse VH/VL因此对原始 CDR 结构背景扰动较小但 mouse Fv 仍然带来免疫原性风险。人源化抗体开始替换 framework因此可以降低 variable region 的非人源成分但也最容易触碰 CDR 构象、Vernier residues 和 VH/VL orientation。全人源抗体从来源上避免了 mouse framework 的迁移问题但如果目标是复现某条 mouse mAb 的特定表位和机制它又未必天然等价。这就是为什么真实项目里不会只问哪一种抗体形式最高级而会问当前手里有什么分子它已经证明了什么我们下一步要降低什么风险又绝不能破坏什么结构和功能全人源不是终点低风险可开发分子才是终点很多时候抗体工程里的词会给人一种错觉mouse、chimeric、humanized、fully human好像越往后越先进。但真实研发不是这样。所以问题不应该是哪一种抗体形式最高级而应该是当前项目手里有什么分子它已经证明了什么我们下一步要降低什么风险又绝不能破坏什么功能和结构当我们这样看mouse、chimeric、humanized 和 fully human antibody 就不再是四个静态定义而是四种不同研发处境下的工程选择。这也为下一篇文章埋下了一个更关键的问题。如果全人源也不等于绝对低免疫原性如果 humanized 也不等于简单提高 human-like score那么我们就必须继续追问为什么 human-like 不等于低免疫原性下一篇我们就从 ADA、sequence、structure、aggregation、formulation 和 patient context 这些因素开始把这个问题讲清楚。