抗体工程在核医学影像与放射免疫治疗中的应用

作者与出版信息 本文作者为Cindy Rodriguez、Samantha Delaney、Samantha M. Sarrett、Outi M. Keinänen和Brian M. Zeglis。他们来自多个机构，包括纽约市立大学亨特学院化学系、纽约市立大学研究生中心化学与生物化学博士项目、纪念斯隆-凯特琳癌症中心放射科、赫尔辛基大学化学系以及威尔康奈尔医学院放射科。该文作为《核医学杂志》 “聚焦分子影像”系列的一部分，发表于2022年9月（第63卷第9期）。

论文主题与性质 这是一篇综述文章，系统地总结和讨论了抗体工程在核医学领域，特别是免疫PET、免疫SPECT和放射免疫治疗中的应用进展、策略与未来展望。文章旨在向学术界和业界清晰展示，如何通过分子生物学技术改造抗体这一天然免疫球蛋白框架，以克服其作为放射性药物载体的固有局限性，同时保留其高特异性和亲和力等优势。

主要论点与阐述

论点一：优化药代动力学特性——利用抗体片段加速血液清除 全文第一个核心论点是利用抗体工程技术，特别是使用不同大小的抗体片段，来优化放射性免疫偶联物的药代动力学特性。传统全长IgG抗体由于体积大且存在新生儿Fc受体介导的循环机制，在血液中半衰期长达数天，这虽然有助于肿瘤高摄取，但也导致血池本底高、健康组织非特异性摄取增加，从而降低成像对比度和治疗指数。文章指出，抗体片段（如F(ab’)₂、单链可变片段、双抗体、微型抗体、单域抗体等）由于分子量小且缺乏Fc结构域，能从血液中更快清除，允许使用物理半衰期更短的放射性核素（如64Cu、18F、68Ga、211At），从而带来更好的辐射剂量学和操作便利性。为支持这一观点，文章列举了多项临床前与临床研究证据。例如，Seo等人使用64Cu标记的抗CD8 Cys-双抗体成功在小鼠模型中成像CD8阳性T细胞；加州大学洛杉矶分校团队开发了18F标记的CD20靶向双抗体，可在转基因小鼠模型中实现B细胞淋巴瘤肝转移瘤的当日免疫PET成像。在治疗方面，Pruszynski和Feng的团队分别使用225Ac和131I标记的靶向HER2的单域抗体，在小鼠模型中显示出良好的肿瘤靶向性和治疗潜力。更令人瞩目的是，已有多个基于抗体片段的探针进入临床研究，如靶向前列腺特异性膜抗原的89Zr标记微型抗体（[89Zr]Zr-IAB2M）用于前列腺癌成像，靶向CD8的微型抗体（[89Zr]Zr-IAB22M2C）用于T细胞成像，以及聚乙二醇化的124I标记双抗体（[124I]I-PEG-AVP0458）用于TAG-72阳性癌症患者成像。这些证据共同表明，抗体片段是实现快速成像和潜在改善治疗窗口的有效策略，尽管其可能伴随肿瘤摄取降低和肾脏积累等新挑战。

论点二：实现位点特异性生物偶联——提升放射性药物的均一性与性能 第二个核心论点是强调通过抗体工程技术实现位点特异性生物偶联的重要性。文章指出，传统的、基于赖氨酸残基的随机偶联方法会产生异质性产物，可能影响抗体的抗原结合能力。而位点特异性偶联能生成结构明确、均一的放射性免疫偶联物，其体内性能通常优于随机偶联的类似物。文章详细阐述了多种基于抗体工程的位点特异性策略。首先是利用工程化引入的特定氨基酸残基，例如在单域抗体的C端引入半胱氨酸残基，或通过将重链铰链区的半胱氨酸突变为丝氨酸，从而在轻链上生成一对独特的、可用于修饰的半胱氨酸。其次是更先进的技术，如遗传密码扩展，将带有正交反应基团（如对叠氮甲基苯丙氨酸）的非天然氨基酸引入抗体的Fc区，然后通过点击化学进行高特异性的连接。第三种策略是工程化引入肽识别序列，以实现化学酶法偶联。例如，使用转肽酶Sortase A将带有甘氨酸标签的螯合剂连接到带有C端LPETG识别序列的Fab片段上；或者利用转谷氨酰胺酶，在去除糖基化的Fc区特定谷氨酰胺位点上连接螯合剂。文中引用的多项研究，如Ahn等人对曲妥珠单抗的Fc区进行工程化与89Zr标记，以及Rudd、Bridoux、Jeger等人分别使用Sortase A和转谷氨酰胺酶方法构建的放射性免疫偶联物，均证明了这些工程化方法能够产生性能优越、体内行为更佳的探针。这些工作凸显了抗体工程在提升放射性药物化学制备精度和质量控制方面的关键作用。

论点三：调控Fc相互作用——精细操控抗体在体内的命运 第三个核心论点聚焦于通过改造抗体的Fc区域来调控其与Fc受体的相互作用，从而改变放射性免疫偶联物的体内分布和清除行为。文章解释，Fc受体家族，包括负责抗体循环的新生儿Fc受体和介导免疫效应的Fcγ受体，对抗体的药代动力学和生物分布有深远影响。因此，工程化改造Fc区域是优化放射性免疫偶联物的一个重要途径。支持这一论点的证据分为几个方向。一是通过点突变来减弱FcRn结合，从而缩短抗体半衰期。例如，Nazarova等人和Burvenich等人的研究分别展示了在HER2靶向和Lewis-Y靶向抗体中引入FcRn结合缺陷突变（如H310A/H435Q或I253A/H310A），可以加快血液清除并提高肿瘤/血液比值，尽管可能以降低肿瘤绝对摄取为代价。二是通过糖基化工程来调节Fcγ受体结合。Vivier等人和Sharma等人的研究证明，对抗体进行去糖基化或岩藻糖基化改造，可以分别减弱或增强其与Fcγ受体的结合，从而显著改变放射性免疫偶联物在肝脏、脾脏、淋巴结等富含免疫细胞器官中的摄取水平。三是利用不同IgG亚类的固有特性。文章提到，IgG1、IgG2、IgG3和IgG4亚类在与补体和Fc受体相互作用方面存在差异。例如，Bicak等人探索了基于IgG3（具有更强补体激活能力）的225Ac标记抗体用于前列腺癌治疗；而Sharma等人则研究了基于IgG4（效应功能较弱）的L1CAM靶向抗体，并通过引入S228P突变防止Fab臂交换，改善了其体内行为。此外，Man等人的工作甚至超越了IgG，探索了基于IgE的放射性抗体，由于其缺乏FcRn介导的循环，显示出截然不同的快速清除模式。这些研究共同表明，通过基因工程手段精确调控Fc相互作用，是定制放射性免疫偶联物生物分布、优化成像信噪比和治疗指数的一种强大且精细的策略。

论点四：创建双特异性抗体结构——拓展靶向与功能多样性 第四个核心论点是阐述抗体工程在构建双特异性抗体用于核医学应用方面的潜力。双特异性抗体能够同时结合两种不同的抗原，这为实现更复杂的诊断和治疗功能提供了可能。文章从三个主要应用方向提供了证据。首先，BsAbs可以作为治疗性抗体的伴随诊断成像剂。例如，Moek等人和Crawford等人的临床前及临床研究，使用靶向CD3和肿瘤相关抗原（如癌胚抗原或MUC16）的BsAbs进行PET成像。这种成像能够同时显示肿瘤病灶和免疫细胞（如T细胞）的分布，有助于评估患者对T细胞衔接器治疗的适用性、预测疗效并规划个性化给药方案。Crawford的研究还通过阻断实验，清晰地证明了BsAb的双重特异性分别介导了其在肿瘤和淋巴组织中的摄取。其次，BsAbs可用于促进放射性药物穿越血脑屏障。Syvänen等人开发了一种靶向转铁蛋白受体和淀粉样蛋白β原纤维的三特异性抗体，利用转铁蛋白受体的转运机制，成功将放射性示踪剂递送至大脑，用于阿尔茨海默病的成像研究。第三，BsAbs是实现预靶向成像和治疗策略的理想平台。在这种策略中，先注射未标记的BsAb（其一端结合肿瘤抗原，另一端结合小分子半抗原），待其在肿瘤积累并从血液中清除后，再注射放射性标记的半抗原，两者在肿瘤部位高效结合。文中提及的临床研究，如使用TF2 BsAb和[68Ga]Ga-IMP288半抗原进行的预靶向免疫PET，在乳腺癌和结肠癌患者中显示出比[18F]FDG PET更好的灵敏度和特异性。这些应用展示了双特异性抗体在提高靶向效率、实现跨屏障递送以及优化放射剂量学方面的独特优势和广阔前景。

论文的意义与价值 本文作为一篇高质量的综述，其重要价值体现在以下几个方面：首先，它系统性地梳理和整合了近年来抗体工程在核医学领域的最新研究成果，为读者提供了一个清晰、全面的知识框架。其次，文章不仅总结了技术进展，还深入分析了各种策略（如使用片段、位点特异性偶联、Fc工程、双特异性构建）背后的科学原理、优势与潜在挑战，具有很高的启发性和指导意义。第三，文章强调了从实验室到临床转化的重要性，并指出了未来需要深入探索的方向，例如在更贴近人类免疫系统的小鼠模型中研究Fc受体相互作用，以及加强核医学与免疫治疗、抗体药物偶联物等领域之间的交叉合作。最后，本文有力地论证了抗体工程是克服传统放射性免疫偶联物瓶颈、推动下一代放射性药物发展的关键驱动力，对从事相关研究的科研人员、药物开发者和临床医生都具有重要的参考价值。