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作为一种大分子,类 TCR 抗体(TCRm Ab,TCR mimic antibody)拥有抗体的优良成药性、以及较长的半衰期,同时兼具 TCR 独有的识别细胞内抗原的特性。因此类 TCR 抗体是近年来逐渐兴起,且拥有巨大发展潜力的一类免疫治疗大分子。
目前,筛选一个高特异性的类 TCR 抗体的方法,主要有噬菌体展示和杂交瘤细胞两类。但是,这两种方法的筛选效率都非常低,且通常难以获得高特异性的类 TCR 抗体。
目前在斯坦福大学医学院学习的杨鑫博博士,利用结构生物学和蛋白工程学,设计了鼠源和人源的类 TCR 抗体酵母文库,能以高效率和高成功率筛选出高特异性的类 TCR 抗体,为类 TCR 抗体的广泛应用提供了一条便捷的技术路径。
图 | 杨鑫博(来源:杨鑫博)
相关论文刚投给 Nature Biotechnology,期刊编辑就非常感兴趣,很快回复决定送审。审稿也比较顺利,评审专家都认为这是一个很有应用前景的工作,并认为文中的文库设计非常有新意。
此外,审稿人建议杨鑫博再补些实验,以证明所筛选的类 TCR 抗体确实具有真正的高特异性。
杨鑫博说:“我们实验室刚好有酵母表面 pMHC 展示的技术,通过将类 TCR 抗体进行 pMHC 筛选,发现类 TCR 抗体对于筛选出来的小肽和抗原肽呈现出高度的类似,这说明类 TCR 对抗原肽的识别是高度特异的。”
同时,课题组还使用了不同的细胞系,结果发现只有在拥有产生特异抗原肽的细胞系上,类 TCR 抗体构建的双特异性 T 细胞衔接(biTE)分子或者嵌合抗原受体(CAR-T)细胞,才能进行靶细胞的杀伤。
补上这些实验以后,所有审稿人都绿灯通过。有趣的是,其中一个审稿人对论文行文给予了高度评价。
杨鑫博说:“这完全归功于导师高超的写作能力和他对 TCR-pMHC 领域的深刻见解。”
近日,相关论文以《用于癌症免疫治疗的肽-MHC 限制性抗体的简便再利用》()为题发表在 Nature Biotechnology 上[1],杨鑫博是共同第一作者,斯坦福大学医学院 K. 克里斯托弗·加西亚()教授担任通讯作者。
图 | 相关论文(来源:Nature Biotechnology)
就应用前景来说,目前的 CAR-T 技术基本上都是在血液类癌症中使用,主要原因是因为很少有真正癌症特异的细胞表面抗原,可供抗体或者 scFv 去做结合。
而类 TCR 抗体可以识别被 MHC 呈递的抗原,抗原的种类不局限于细胞表面蛋白,可以是胞内蛋白、也可以是突变的新抗原(neo-antigen)。只要能被 MHC 呈递,就能找到类 TCR 抗体对其进行特异识别。
因此,类 TCR 抗体可以为实体瘤治疗提供更丰富的治疗手段,因为它可以构建成不同种类的大分子以适应抗体介导细胞毒性(ADCC)、biTE 或者 CAR-T 等治疗方案。
(来源:Nature Biotechnology)
杨鑫博还表示:“该课题基于实验室对 TCR-pMHC 领域长期深耕和丰富的技术积累。导师认为类 TCR 抗体是结合了 TCR 和抗体的优点的‘潜力股’,根据经验他认为目前已有的筛选类 TCR 抗体的技术具有很大的进步空间,所以一个好的筛选类 TCR 抗体的技术平台是这个领域的‘game changer’。”
有了导师对于课题的蓝图勾画,杨鑫博开始在 protein data bank 中寻找已有的类 TCR 抗体和 pMHC 的复合物结构。
大部分的类 TCR 抗体-pMHC 复合物结构,都呈现出较少的抗原肽结合热点和过多的 MHC 结合热点,导致这些类 TCR 抗体并不适合作为亲本来设计文库。而这也是大部分类 TCR 抗体会产生 off-target toxicity 的原因所在。
同时,TCR-pMHC 复合物提示 TCR 能把结合自由均衡地分布在抗原肽和 MHC 上,所以理想的类 TCR 抗体亲本,必须具备和 TCR 类似的性质。
所幸的是,有两个类 TCR-pMHC 复合物结构符合这一条件,而且刚好一个是鼠源、一个是人源。有了良好的亲本作为基础,文库设计和构建可谓水到渠成。
(来源:Nature Biotechnology)
文库构建好以后,该团队筛选了鼠源的黑色素瘤抗原 Trp2 和人源的癌症抗原 NY-ESO、MART1、GP100 和 KRAS(野生型)。
“我们惊喜地发现所有新筛选的类 TCR 抗体,都已经无法结合亲本抗原肽,且无法相互识别彼此的抗原肽。这个结果提示我们:所筛选的类 TCR 抗体一定是高度抗原肽特异的。”杨鑫博说。
同时也说明,筛选出来的类 TCR 抗体可以通过构建不同的分子,来行使 ADCC、biTE 或者 CAR-T 功能,并能展现出优秀的癌症治疗潜力。
尤其是 biTE 和 CAR-T,能在体外实验中特异性地杀伤“冷肿瘤”的代表——鼠源 B16F10 黑色素瘤,借此为“冷肿瘤”治疗提供后续的指导。
此外,他们还解析了一个类 TCR-pMHC 复合物的结构,结果显示类 TCR 抗体和 TCR 具有相似的 pMHC 结合性质,这证实了课题组的 rational 文库在设计思路上的正确性。
杨鑫博说:“我还想感谢一下实验室的交换学者——来自日本的 Daisuke Nishimiya。Daisuke 是一个经验丰富的抗体工程师,他来我们实验室想学习酵母展示蛋白质工程的技术,刚好我在做酵母展示上很有心得,所以导师让我和 Daisuke 组队推进这个项目。”
Daisuke 在业界积累的抗体实验,对于项目的高速推进非常重要。“可以说,如果没有 Daisuke 的加入,这个项目的完成时间可能还需 1-2 年。在此过程中,我也从 Daisuke 那里学到很多关于抗体的‘冷门’知识,我自己也向 Daisuke 交流了自己在 TCR 领域的‘冷门’知识。可以说我和 Daisuk e 的合作,也恰如这个项目的立项目的:结合 TCR 和抗体的优点来构建类 TCR 抗体。”杨鑫博继续说道。
当然,这一系列的研究并未结束。未来,他们计划利用此次构建的平台,继续寻找更多的类 TCR 抗体。同时,杨鑫博还会结合自己寻找 TCR 抗原肽的技术,去构建从 TCR 抗原鉴定、到类 TCR 抗体筛选的完整技术路径。
参考资料:
1.Yang, X., Nishimiya, D., Löchte, S. et al. Facile repurposing of peptide–MHC-restricted antibodies for cancer immunotherapy. Nat Biotechnol (2023). https://doi.org/10.1038/s41587-022-01567-w
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