羊驼与奈米抗体


谈及羊驼，我们通常会想到假日农场或羊驼绒，但如果你问生物医学范畴的科学家的话，他们却可能会想起一种特殊抗体的片段 — 奈米抗体。

要明白奈米抗体的特殊之处，我们须先了解抗体的结构（图一）。传统抗体是由两条重链和两条轻链通过二硫键连接形成的 Y 形分子。Y形抗体的两个尖端称为可变区，负责与目标抗原结合。一如其名，可变区可以有不同的变化，它们决定抗体与甚么抗原结合。除传统抗体外，羊驼、骆驼和骆马等骆驼科动物也会制造一种仅由两条重链组成的特殊抗体 [1, 2]，而奈米抗体就是这些特殊抗体的可变区。



图一：(a) 传统抗体、(b) 骆驼科动物只有重链的抗体及(c) 奈米抗体（L：轻链、H：重链、灰色：可变区、紫色：恒定区）

在1993年发现奈米抗体后不久，科学家便注意到它的巨大潜力 [1]。这些抗原结合域（与抗原结合的部分）不但有著非凡的专一性、稳定性和溶解度，它们的大小也只有传统抗体的十分之一 [3]，以上特性均使奈米抗体有望成为新一代药物和显影剂……等等，怎样才能生产我们想要的奈米抗体呢？

你心中或许已有答案。是的，就是羊驼（尽管透过其他骆驼科动物来生产奈米抗体也行）！在典型的筛选过程中 [4]，科学家会透过注射不同抗原，诱导羊驼的 B 细胞产生相应的抗体。在提取B细胞及其mRNA后，科学家会把mRNA反转录成双链的互补DNA（cDNA / complementary DNA），然后在聚合酶链反应（PCR / polymerase chain reaction）中使用专门设计的引物复制可变区的 DNA 序列。接著，科学家会将携带不同可变区序列的重组质粒引入噬菌体（病毒的一种），使它们在其表面表达相应的奈米抗体。有些噬菌体表面会表达能与目标抗原结合的奈米抗体，所以最后一步就是挑出这些噬菌体，并以 DNA测序法找出目标奈米抗体的DNA序列。有了这项资讯，我们就可以对大肠杆菌（Escherichia coli）进行基因改造，大量生产所需的奈米抗体 [5]。

对癌症患者来说，找出癌组织在体内的分布对诊断和后续治疗至关重要。要以正电子放射断层扫描（PET / positron emission tomography）拍摄肿瘤组织，我们需要一种可被检测的放射性追踪剂（探针），它应能专一地与目标肿瘤抗原结合。毫无疑问，具有高度专一性的奈米抗体正是理想的探针。为了使奈米抗体得以被探测，科学家提出了一个巧妙的解决方案，就是以氟-18或锆-89等放射性同位素标记奈米抗体 [6]。奈米抗体比传统抗体的优胜之处在于体积细小，这让奈米抗体得以轻松穿透肿瘤组织，从而揭示更多隐藏的癌细胞。

奈米抗体跟传统抗体一样，也能用于治疗用途。在2020年，瑞典科学家报告了一项激动人心的发现：一种羊驼制造的奈米抗体可以通过阻断SARS-CoV-2与宿主细胞受体的相互作用来中和新型冠状病毒，从而阻止病毒进入和感染宿主细胞 [7]。奈米抗体也有望成为新一代癌症疗法。事实上，科学家一直在开发针对结肠癌、乳癌和肝癌的奈米抗体药物 [4]，他们相信这些药物能阻断重要的癌细胞信号，或在化疗和放射治疗中作为载体，运送药物分子及放射性化合物到肿瘤组织以消灭癌细胞。

除了在疾病相关的应用外，科学家们亦在活细胞成像（live cell imaging）中使用奈米抗体。透过将羊驼奈米抗体与绿色萤光蛋白融合，研究人员便能实时观察目标蛋白在免疫反应中的作用 [8]。结构生物学家也对奈米抗体深感兴趣，他们在奈米抗体的帮助下通过 X 射线晶体学（注一）和冷冻电子显微镜（注二）来确定蛋白质结构 [9-11]。

奈米抗体绝不只有上面提及的用途，直至今天，科学家仍在积极探索奈米抗体的其他应用。各位读者，当你与家人朋友一起参观羊驼农场时，别忘了和他们分享这些可爱生物的奇妙之处！

Footnotes:


  1. X射线晶体学（X-ray crystallography）：一种用于找出结晶样本三维分子和原子排列的常用技术。样本会被暴露在 X 射线下，产生的 X 射线衍射图可用于确定样本的结构。然而，准备结晶样本的过程具有一定挑战性，奈米抗体正正能用于增加结晶成功率 [10]。
  2. 冷冻电子显微术（Cryo-electron microscopy / cryo-EM）：使用传统透射电子显微术时，生物分子可能会被高能量的电子燃烧或破坏，而冷冻电子显微术则使用冷冻样本和强度较低的电子束 [12]。过去研究小蛋白质（<100 kDa）在技术上极具挑战性，但现在奈米抗体能让结构生物学家通过冷冻电子显微术研究小蛋白质 [11]。

参考资料：


  1. Hamers-Casterman C, Atarhouch T, Muyldermans S, et al. Naturally occurring antibodies devoid of light chains. Nature. 1993;363(6428):446-448. doi:10.1038/363446a0
  2. Muyldermans S. Single domain camel antibodies: Current status. Reviews in Molecular Biotechnology. 2001;74(4):277-302. doi:10.1016/s1389-0352(01)00021-6
  3. Salvador J-P, Vilaplana L, Marco M-P. Nanobody: Outstanding features for diagnostic and therapeutic applications. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2019;411(9):1703-1713. doi:10.1007/s00216-019-01633-4
  4. Sun S, Ding Z, Yang X, et al. Nanobody: A Small Antibody with Big Implications for Tumor Therapeutic Strategy. International Journal of Nanomedicine. 2021;16:2337-2356. doi:10.2147/ijn.s297631
  5. de Marco A. Recombinant expression of nanobodies and nanobody-derived immunoreagents. Protein Expression and Purification. 2020;172:105645. doi:10.1016/j.pep.2020.105645
  6. Yang EY, Shah K. Nanobodies: Next generation of cancer diagnostics and therapeutics. Frontiers in Oncology. 2020;10:1182. doi:10.3389/fonc.2020.01182
  7. Hanke L, Vidakovics Perez L, Sheward DJ, et al. An alpaca nanobody neutralizes SARS-COV-2 by blocking receptor interaction. Nature Communications. 2020;11(1):4420. doi:10.1038/s41467-020-18174-5
  8. Schmidt FI, Lu A, Chen JW, et al. A single domain antibody fragment that recognizes the adaptor ASC defines the role of ASC domains in inflammasome assembly. Journal of Experimental Medicine. 2016;213(5):771-790. doi:10.1084/jem.20151790
  9. Domanska K, Vanderhaegen S, Srinivasan V, et al. Atomic structure of a nanobody-trapped domain-swapped dimer of an amyloidogenic Β2-microglobulin variant. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2011;108(4):1314-1319. doi:10.1073/pnas.1008560108
  10. Koide S. Engineering of recombinant crystallization chaperones. Current Opinion in Structural Biology. 2009;19(4):449-457. doi:10.1016/j.sbi.2009.04.008
  11. Wu X, Rapoport TA. Cryo-EM structure determination of small proteins by nanobody-binding scaffolds (Legobodies). Proceedings of the National Academy of Sciences. 2021;118(41):e2115001118. doi:10.1073/pnas.2115001118
  12. Broadwith P. Explainer: What is cryo-electron microscopy. Chemistry World. https://www.chemistryworld.com/news/explainer-what-is-cryo-electron-microscopy/3008091.article.

作者：
香港科技大学《科言》学生编辑王思齐

2024年3月