中大唯信·唯信计算

前言

抗体药物设计中除了要考虑药物分子跟靶标的结合能力之外，还需要考虑可开发性问题如表达量、稳定性、溶解度和聚集水平等等。任意一个性质的缺陷最终都会影响抗体药物的成药性，这对大、小分子药物都是一样的。与小分子药物发现不同，目前没有针对抗体设计的类似Lipinski的五原则的计算模型，而单纯通过传统的实验方法较难一次性筛选到多参数均优的分子，也难以在早期进行评估。

TAP介绍

为了解决这个问题，Oxford、MedImmune、Roche、GSK等机构联合开展了一项研究，通过对一系列临床后期治疗抗体（CSTs）的可变区结构建模，并计算了一系列性质指标以估算它们的可开发性质。最终提出了五个可能与可开发性问题最相关的度量指标，包括亲和力决定区域（CDRs）的总长度、表面疏水性的程度，CDRs中的正电荷和负电荷，以及重链和轻链表面电荷的不对称性等，并根据这些指标开发了一系列计算指导原则（评价标准）来判断抗体的成药性，称为Therapeutic Antibody Profiler（TAP）。通过该标准可以快速评估目标分子是否符合五个可开发性指导原则，并指出潜在的序列缺陷和规范形式。参考文献：Raybould MIJ, et al. Five Computational Developability Guidelines for Therapeutic Antibody Profiling. PNAS. (2019)。

TAP 计算以下5个性质，以确定输入抗体的可开发性指标是否与临床阶段抗体的属性相匹配：

1.CDR区总长度：Total CDR Length

2.CDR区域及其周围的表面疏水性程度：Patches of Surface Hydrophobicity (PSH) metric across the CDR Vicinity

3.CDR区域及其周围的表面正电荷程度：Patches of Positive Charge (PPC) metric across the CDR Vicinity

4.CDR区域及其周围的表面负电荷程度：Patches of Negative Charge (PNC) metric across the CDR Vicinity

5.Fv区的重、轻链之间的净电荷失衡程度：Structural Fv Charge Symmetry Parameter (SFvCSP)

各指标的含义如下：●CDR的长度：CDR长度对于抗原的结合方式有着重要的影响，假如抗体有着较长的CDR-H3 loop，那么抗原将会主要和CDR-H3进行结合，而与其他的CDR结合较差。但是当CDR-H3 loop较小的时候，其他的CDR则会对结合起到重要的辅助作用。此外，不同来源得到的抗体序列的CDR-H3的长度也会有显著差异，比如小鼠来源的抗体的CDR-H3就显著短于人表达的抗体。此外通过临床抗体和常规抗体（VdH Ig-seq）之间的比较发现:临床上的抗体的CDR-H3明显小于常规抗体的CDR-H3的长度。由于CDR的总长度既包括结合位点形状，又包括CDR-H3的长度，因此选用CDR的总长度包含在最终的五个TAP指标中。

●疏水性（PSH）： CDR区域的疏水性与抗体的聚集倾向有关。研究者通过同源模型，考虑残基的疏水性和是否暴露于溶剂中，估算了每个残基的有效疏水性，引入了PSH指标。当指定区域存在较多相邻的疏水残基时，PSH值偏高。相对于天然抗体，临床上使用的治疗性抗体PSH相对较低，这意味着在高浓度环境中，治疗性抗体比天然抗体具有更容易避免聚集的优势。所以CDR 的PSH分数也被用于作为一个TAP的指标。

●CDR电荷：表面正负电荷斑块通常影响抗体的生物物理性质。通过计算正电荷斑块（PPC）和负电荷斑块（PNC）两个度量标准，可以显示电荷密集区域。对137个抗体药物研究发现，临床上的抗体不倾向在CDR附近出现电荷斑块，其中PPC和PNC值分别在88.32%和80.30%的模型中都低于1。人类常规天然抗体也具有类似的PPC和PNC分布。所以PPC和PNC分析都被引入TAP的指标。

●表面电荷不对称性：当抗体具有相反电荷的VH和VL链时，它们通常具有较高的体外黏度值。研究中采用了Fv电荷对称参数（FvCSP）来衡量这种聚集诱导的静电吸引。当VH和VL的净电荷为负值，抗体往往更黏稠。研究者引入了新的参数-调整的结构Fv电荷对称参数（SFvCSP），去掉了没有暴露的，锁定在盐桥中的残基来计算电荷。计算结果和治疗性抗体以及常规的天然抗体模型近似，所以采用sFVCSP作为TAP的指标。

研究者对137个CST的可变区进行结构建模和性质计算，统计各指标的数值分布范围作为抗体可开发性的参考标准，2023年1月又基于644个分子的统计数据对结果进行了更新，如下表所示。

其中：

琥珀色区域(Amber Region): CST分布的极端位置（不常见），能接受但不推荐；

红色区域(Red Region)：CST分布之外的区域，有成药风险，建议优化；

详细区域范围定义如下表所示。

TAP案例研究

在MedImmune的两个单克隆抗体药物发现项目中，TAP都能够有效的识别出存在可开发性问题的分子。

在anti-NGF抗体的优化过程中，最初的分子MEDI-578在体外显示了轻微的聚集问题，亲和力改良的分子MEDI-1912则出现了严重的聚集，根据TAP中的PSH指标，MEDI-578分布在Amber区域，MEDI-1912则分布在Red区域，与聚集程度完全一致。随后，研究者发现抗体表面的大型疏水区域是导致聚集的原因。根据预测，将MEDI-1912的疏水残基进行回复突变得到了M-1912STT分子，解决了聚集问题并保持了药效。经TAP预测，M-1912STT分布在绿色区域，确实符合可开发性的标准（如下图所示）。

在IL-13抗体优化的例子中，候选药物A008，在可开发性方面没有出现问题，但是亲和力改良的变体分子A001出现了表达水平低的问题，研究者通过将L2-loop的四个连续的负电荷残基进行优化，将第四个负电荷残基突变为中性的天冬酰胺（A001DDEN），将表达水平恢复到了可接受的水平。TAP根据PNC指标对三个分子的可开发性均作出了准确预测（下图所示）。

当然，上述的TAP模型仅是基于有限临床抗体数据的统计模型，仍然具有一定的不足：1、有的分子的整体理化性质是分布在TAP推荐范围之内，但是局部的分布不均衡导致了可开发性问题， TAP方法就不能很好的给出预警，即TAP对成药性的判断标准假阴性偏高（若预测结果有风险需要特别警惕，预测没风险也不能完全排除）；2、并不能完整的涵盖影响抗体可开发性的所有因素，比如不能检测抗体的免疫原性和粘度等性质。但不妨碍TAP仍是目前少有的高质量抗体可开发性指导原则之一，具有很高的实用价值。

WeMol实践

WeMol软件针对抗体的多维可开发性质提供了多个预测功能，在TAP的基础之上，还支持对等电点pI、PTM、免疫原性、稳定性、溶解度、粘度以及消光系数等多个指标进行预测，代表性的如下表所示。

为了提高评估效率，新版的WeMol软件提供了创新的抗体可开发性综合评估方案，用户只需要输入序列，即可一键进行全方位的抗体可开发性预测。系统会在2分钟左右自动完成对抗体的可变区进行建模，并完成一系列可开发性指标的预测、展示、汇总等等，并支持批量抗体的高通量分析。如下图所示，在WeMol可开发性预测面板中，高风险的性质会以红色进行预警提示，鼠标放在高风险的指标上还会进一步给出建议的蛋白质工程改造的优化思路。

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