人源抗体基因小鼠模型建立有哪些策略与方法?
利用小鼠模型研制人源抗体的策略,即应用小鼠免疫系统,通过人源抗体基因在小鼠体内重组和体细胞高突变的自然发生过程,生产针对不同免疫原的多样性组合,且有特异性的人源抗体。人源抗体基因小鼠模型的建立,为治疗性抗体研发提供了可靠的技术平台。与其他人源抗体研制技术比较,基因小鼠技术平台的优势表现有,人源抗体生产不仅无需人源化及更多抗体组合多样性、且抗体体内亲和力成熟与筛选抗体克隆过程是自然优化等。当然,由于人源抗体Ig 基因覆盖基因组区域非常大,也使构建如此人源抗体基因小鼠有巨大的挑战性。
1985年,科学家首先提出将人源抗体基因导入小鼠生殖细胞,通过建立转基因小鼠来生产人源抗体的建议,该想法的提出开创了人源抗体生产研发的新思路。1989年,科学家们首次构建了人源抗体重链基因载体,包括人源IgM抗体重链可变区(包括VDJ)和μ链恒定区基因。将约25kb大的质粒DNA载体显微注射至小鼠受精卵,成功获得约4%小鼠B细胞表达人源抗体μ链,且能生产人源IgM抗体的转基因小鼠。1993年,科学家们将小鼠抗体重链部分(JH)和轻链(Jk)基因敲除,并与表达人源IgH和IgL抗体的转基因小鼠交配,成功获得能产生多样性组合的人源抗体转基因小鼠模型。
1994年,第一个人源抗体基因小鼠HuMabMouse技术平台首先研制成功。该小鼠模型是在小鼠抗体重链和轻链(IgH和IgK)基因 敲除的基础上,构建能表达人源抗体重链和轻链基因。整个人源抗体重链基因组约有1.29Mb, 轻链基因组约为1.39Mb,而起初引入的人源抗体重链基因组只有约80kb大小。由于抗体多样性组合是由其生殖细胞中V(D)J基因决定的,因此,如何增加导入人源抗体基因组容量,提高人源抗体基因组合的多样性,则是成功研制该技术平台的合理策略与需要解决的关键技术难题。
1993年,科学家们开始应用酵母人工染色体(YAC)载体,通过酵母同源重组的方法,分别构建人源抗体重链(~220kb) 和轻链(~300kb)载体,并借助酵母-胚胎干(ES)细胞融合方法,成功将其导入小鼠ES细胞。1997年,又将大片断人源抗体重链(~1Mb)和轻链(~700kb)的YAC导入小鼠ES细胞,并与鼠源抗体基因(可变区和恒定区)敲除小鼠交配,成功构建了表达人源抗体基因的XenoMouse小鼠模型。该基因小鼠包含了人源抗体重链可变区(VDJ)基因66个、轻链可变区(VJ)基因32个。虽然,XenoMouse和HuMabMouse小鼠模型都彻底排除了小鼠抗体基因可能对人源抗体基因的干扰影响,且也增加了人源抗体基因组合的多样性,但由于这两种小鼠抗体基因都被完全敲除,即小鼠不仅缺失抗体可变区基因,其恒定区基因也被敲除,从而降低了人源抗体生产的有效性,也影响了抗体在小鼠体内的类别转换效果和体细胞高频突变发生率。
2014年,科学家们应用细菌人工染色体(BAC)和Cre/loxP重组技术,在体外ES细胞系上,将人源抗体重链(V-D-J)可变区和轻链(Vk-Jk)可变区分别插入到小鼠重链恒定区(Cμ )和轻链恒定区(Ck) 的上游区域,在不影响小鼠抗恒定区的基础上,成功构建了KyMouse小鼠模型。KyMouse小鼠在抗原刺激后,能实现体细胞高频突变发生,并产生高亲和力的人源抗体。
另外,科学家们通过构建一定数量的大片断人源抗体基因BAC,进行系列显微注射方法,将相应BAC载体导入小鼠ES细胞,实现人源抗体重链和轻链可变区基因定点替换相应小鼠抗体重链和轻链可变区基因,在保留小鼠抗体基因恒定区的基础上,成功构建了Veloclmmune小鼠模型。
目前,应用人源抗体基因小鼠技术平台研制治疗性抗体的生物医药企业主要有7家,包括,1. Cell Genesys/Abgenix公司研制的XenoMouse小鼠;2. Genpharm/Medarex公司的HuMAbMouse小鼠,该两家公司后来分别被 Amgen于 2005年和Bristol Myers Squibb于2009收购;3. Kymab公司的KyMouse;4. Regeneron公司的VelociMouse小鼠;5. Harbour Biomed 公司的H2L2小鼠;6. Trianni 公司的Trianni小鼠;7. Ablexis公司的AlivaMab小鼠。然而,目前获批的人源抗体也只是来自于XenoMouse、HuMAbMouse和VelociMouse三个基因小鼠技术平台。
到目前为止,由HuMabMouse小鼠平台研发并获批的人源抗体已有8个,其中两个抗体,抗CTLA-4抗体YervoyI和抗PD-1抗体 Opdivo,分别于2011年和2014年批准,都是首先用于黑色素瘤患者治疗。抗CTLA-4抗体能与免疫检查点抑制因子CTLA-4结合,抑制CTLA-4与APC细胞表面的B7结合,激活细胞毒T淋巴细胞活性,实现杀死肿瘤细胞的作用。同样,抗PD-1抗体与免疫检查点抑制因子PD-1的结合,阻止其对肿瘤特异性T细胞的免疫抑制效果,达到肿瘤治疗目的。HuMabMouse小鼠平台获批的两个抗IL-12亚单位p40和IL-23抗体,能阻止促炎反应信号作用,达到降低炎症反应的效果,用于临床上治疗自身免疫性疾病。此两个抗体分别于2009年和2016年获批治疗严重斑块状牛皮癣和克罗恩氏回肠炎。
由XenoMouse小鼠平台研发获批人源抗体已有7个。2006年第一个全人源抗EGFR抗体, 用于治疗EGFR表达(无KRAS基因突变)转移性结肠癌患者。该人源抗体是阻止EGFR与其配体结合,抑制EGFR信号通路,诱导肿瘤细胞的凋亡。另外有2个人源抗体用于治疗自身免疫皮肤相关性疾病;其中一个是人源抗IL-17抗体,具有降低牛皮癣患者的炎症反应作用。另外一个是人源抗IL-17受体抗体,发挥抑制IL-17家族细胞因子的作用。它们分别于2015年和2017年获得美国FDA批准,用于临床治疗牛皮癣患者。
作为第二代人源抗体基因Veloclmmune小鼠技术平台,已获得包括抗IL-4受体抗体、抑制IL-4和IL-13信号通路、以及抗IL-6受体抗体4个人源抗体药物。2017年获批的抗IL-6受体抗体,通过抑制IL-6信号通路,降低肝细胞释放炎症相关因子,实现治疗风湿性关节炎等自身免疫性疾病作用,并被认为在治疗新冠肺炎疾病中,该类抗体可能具有缓解由病毒引起的炎症因子风暴的作用。