抗体药物作为21世纪主要的治疗方式，其研发过程中的“人源化”是关键步骤之一。传统方法通过最大化人类可变区（V-region）与原始遗传系列的同源性来保持结合力，但往往忽略了分子固有属性的重要性。
Boehringer Ingelheim的研究团队提出了一种新理念：Matrixed CDR嫁接，通过将小鼠抗LAG3抗体的CDRs嫁接到多个不同的人类VH和VL框架区域，评估了表达、亲和力、可开发性和功能等多方面的影响。
图1. 该项研究文章截图
研究内容
研究团队选择了一个抗LAG3的小鼠单克隆抗体，通过与人免疫球蛋白germlines的同源性比较，查找与抗LAG3抗体V-region同源性最高的人类遗传基因，作为CDR嫁接框架。
图2. 抗LAG3抗体V-region与人免疫球蛋白germlines同源性比较
之后将抗LAG3抗体的CDRs嫁接到14种不同的人类VL和15种不同的VH框架上，形成了210种不同的抗体组合。通过高通量系统，对这些抗体在表达、亲和力、可开发性和功能等方面的表现进行了全面评估。
实验结果显示，与抗LAG3抗体序列同源性更高的嫁接体展现出更好的表达量以及对LAG3的亲和力。同源性最低的VL嫁接体其表达和熔点表现最差，而同源性最低的VH嫁接体其纯度结果最差。综合这些实验数据，实验人员挑选了轻链Vκ1、Vκ2、Vκ3、Vκ4、Vκ6和Vκ8以及重链VH1、VH9和VH11，组合成18种抗体分子进行下一步的研究。
图3. 抗LAG3抗体嫁接体的表达量和亲和力。与亲本抗体序列同源性更高的嫁接体展现出更好的表达量和对LAG3的亲和力
图4. 抗LAG3抗体嫁接体的可开发性数据，包括表达量（A和E）、纯度（B和F）、熔点（Tm, C和G）和亲水性（D和H）。同源性最低的VL嫁接体其表达和熔点表现最差，而同源性最低的VH嫁接体其纯度结果最差
研究员首先对选定的研究嫁接分子进行了工程化调整优化（天冬氨酸异构化位点优化以及潜在脱酰胺化位点优化），并进行亲和力和可开发性评估。结果显示VH框架显著影响表达、稳定性和疏水性，但不影响纯度。同时还评估了嫁接分子对细胞相关LAG3的结合能力。结果显示所有嫁接物均能结合LAG3表达的CHO-K1细胞。
图6. 嫁接分子对细胞相关LAG3的结合能力评估
亲本抗LAG3抗体旨在阻断LAG3与MHCII的相互作用。为了评估嫁接分子是否表现出这种LAG3-MHCII阻断功能，研究员对所挑选的嫁接体进一步研究。结果发现，所有嫁接体表现出了阻断活性，与抗体亲和力之间没有显著相关性。
图7. 不同嫁接分子阻断LAG3与MHCII相互作用的能力
之后研究员将嫁接分子结构与亲本结构进行比较分析。将预测的嫁接分子结构模型与亲本抗LAG3抗体模型496G6的结构进行叠合分析，并计算了嫁接分子不同区域相对于亲本的RMSD值，以评估结构的相似性。通过对抗体的Fv部分和HCDR3的结构模型进行分析，发现一些低同源性的VH嫁接体在HCDR3环的结构中表现出较低的RMSD值，说明结构相似性并不总是与序列同源性直接相关。
图8. 不同抗LAG3抗体嫁接体结构分析
研究结论
VH和VL的影响：研究发现VH框架对抗体的表达、稳定性和亲水性有显著影响，而VL框架则对亲和力、目标结合和功能特性有显著影响。
亲和力与功能：研究指出，亲和力虽然是选择抗体候选物的重要标准，但与功能的相关性并不总是线性的，有些高亲和力的抗体功能表现并不理想。
人源化与开发性：通过Matrixed CDR嫁接方法，研究团队能够识别出在保持或改善亲和力的同时，具有更好开发性特性的抗体。
选择更好的候选物：研究最终表明，通过更广泛的人类框架同源性空间探索，可以找到比最同源的VH/VL对更优的候选抗体，这些候选抗体具有更好的全局属性，可能更快地通过开发阶段，并具有更高的成功概率。
意义与展望
这项研究展示了如何通过现代高通量系统，实现对抗体人源化的更全面、定制化和系统性分析，从而加速发现具有改善全局属性的人源化抗体，提高临床开发的成功率。
不愧是MNC，很系统的研究，信息量很大。局限性在于只涉及了LAG3一个靶点，也未考虑回复突变的影响，后者却是至关重要的。
瑕不掩瑜，文章结论与我们在大量抗体设计项目中的经验是基本一致的，甚至不同germline来源的FR模板的替换可应用在包括人源化在内的多种抗体优化场景中。
文章的计算部分都可以用WeMol实现，使用WeMol的人源化设计功能可以同时评价除了同源性以外的理化性质指标，并轻松指定不同germline的多组FR模板，并批量预测最终人源化变体的结构及计算CDR区的RMSD，实现高通量、高质量、高灵活度的设计。
参考文献：J. Biol. Chem. (2024) 300(1) 10555
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