基金项目:国家自然科学基金(81371819,81571990); 福建省自然科学基金(2015J06018)
通信作者:wxluo@xmu.edu.cn
(1.厦门大学 生命科学学院 国家传染病诊断试剂及疫苗工程技术研究中心,2.厦门大学公共卫生学院,福建 厦门 361102)
(1.National Institute of Diagnostics and Vaccine Development in Infectious Disease,School of Life Sciences,Xiamen University,2.School of Public Health,Xiamen University,Xiamen 361102,China)
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201603029
乙型肝炎病毒(HBV)感染是全球最为重要的公共卫生问题之一,目前临床上治疗HBV的药物在彻底清除病毒方面并没有取得满意的结果,因此迫切需要发展能有效清除病毒,尤其是能有效清除乙肝表面抗原(HBsAg)或大幅度降低HBsAg血清学水平的创新性治疗药物.筛选到一株针对HBV和HBsAg上一个特定表位的鼠单抗129G1,它能持续有效地清除转基因小鼠体内的HBV及HBsAg,有发展为治疗性抗体药物的潜力.为了降低129G1的免疫原性,采用互补决定区(CDR)移植的方式,利用噬菌体抗体库技术对这个鼠单抗进行了人源化,最终得到人源化抗体.人源化抗体与HBsAg的结合活性与嵌合抗体相当,抗体质量浓度为1.45 μg/mL时介导THP-1细胞吞噬率达到50%.在HBV转基因小鼠的实验中,获得的129G1人源化抗体能持续有效地抑制血清中HBV DNA及清除HBsAg.
Hepatitis B virus(HBV)infection is a major global health problem.However,current treatments are not satisfactory in removing virus thoroughly from patients,thus we need innovative treatment strategies to remove virus continuously,especially in suppressing the levels of HBsAg and HBV DNA in vivo profoundly and persistently.In this study we discovered 129G1 mAb,which is a mouse monoclonal antibody binding to a special epitope on the hepatitis B surface(HBsAg).129G1 mAb can suppress the levels of HBsAg and HBV DNA in vivo profoundly and persistently,thus has the potential to be used in drugs of therapeutic antibodies.In order to reduce the immunogenicity of 129G1 mAb,we accomplished the humanization of 129G1 using complementarity determining region(CDR)-grafting and framework region optimization to keep the original biological function with phage display technology.129G1 humanized antibodies' binding activity with HBsAg is similar to 129G1 cAb.It makes the phagocytosis rate of THP-1 cells up to 50% at concentration of 1.45 μg/mL.In HBV transgenic mice,the humanized 129G1 exhibited continuous ability in suppressing the HBV DNA in serum and clearing HBsAg.
乙型肝炎病毒(HBV)感染是全球最为重要的公共卫生问题之一,据世界卫生组织统计数据显示,全球约有20亿人感染过HBV,约占世界总人口的1/3,且其中有3.6亿人最终发展成为慢性感染[1-2],每年有将近100万人死于HBV感染及其所引发的肝脏疾病[3-4],HBV的高流行区人群中乙肝表面抗原(HBsAg)阳性率通常在8%~20%[5].目前临床上治疗HBV的药物主要包括干扰素类和核苷类似物.干扰素类药物包括普通干扰素及聚乙二醇干扰素,使用后仅有7.8%的患者达到HBsAg血清转换[5],同时因为其可能引发明显的副作用而不能用于长期的治疗; 核苷类似物包括拉米夫定、替比夫定等,但使用后HBsAg血清转换率极低,用药2年后转换率不到2%,接近自然阴转率,同时它的使用也存在长期治疗过程中会增强病毒抗药性的问题[6].
治疗性单克隆抗体是近年快速发展起来的疾病靶向治疗新手段,由于其具有特异性高、均一性好、疗效强、副作用小等优势,已经成为对抗肿瘤、传染病、自身免疫病等疾病的重要工具.在病毒入侵体内产生体内免疫反应时,B细胞应答产生的抗体通过中和(neutralization)和免疫清除(immune clearance)而起到抗病毒作用[7].HBV感染宿主后产生的抗体主要是anti-HBs、anti-HBe和anti-HBc,其中anti-HBs属于能够有效阻止病毒感染细胞的中和抗体,这也表明针对HBsAg的抗体可以作为有效治疗慢性乙肝的药物.目前高效价乙肝免疫球蛋白(HBIG)已广泛应用于阻断HBV的母婴垂直传播等,但HBIG直接用于治疗慢性HBV感染并未见明显的疗效,且其存在着血浆来源有限、性质不稳定等潜在的安全问题.
本实验室(第一单位,下同)获得一株鼠源单克隆抗体129G1,它是针对HBV表面抗原一个特定表位的抗体,能有效清除转基因小鼠体内的HBV及HBsAg.为降低免疫源性,采用互补决定区(CDR)移植的方式[8],利用噬菌体抗体库技术对该鼠单抗进行了人源化改造,最终得到一株人源化抗体,在HBV转基因小鼠中能有效地抑制HBV DNA、清除HBsAg,将来可能为慢性乙肝的治疗提供一种新的手段.
大肠杆菌(Escherichia coli)菌株DH5α为本实验室保存.ER2738菌株购自New England BioLabs(NEB)公司.真核表达载体PTT5由本实验制备,噬菌体展示载体PCGMT由美国Scripps研究所提供,表达细胞株Flp In CHO购自Invitrogen公司.各种限制性核酸内切酶、T4 DNA连接酶购自NEB公司,LA-Taq DNA聚合酶购自TaKaRa公司,辣根过氧化物酶(HRP)标记的anti-M13 IgG购自GE公司,HRP标记的鼠抗人IgG及HRP标记的羊抗人IgG、HBsAg乙肝表面抗原定量试剂盒由北京万泰海沧公司提供.鼠129G1单抗、嵌合抗体c-129G1由本实验室研制和纯化.
从HBsAg的第1位氨基酸开始,每15个氨基酸合成1条短肽,短肽之间互相重叠,重叠处为7个氨基酸,共计27条,将合成的肽段命名为s1~s27,如表1所示.合成的短肽以20 μg/mL的质量浓度包被96 孔板,每孔100 μL,4 ℃包被过夜,37 ℃封闭2 h,加入129G1鼠单抗,37 ℃孵育1 h,再加入HRP标记的羊抗人IgG(1:5 000),37 ℃孵育30 min,显色液37 ℃显色15 min,终止显色反应后,酶标仪测定450 nm下的吸光度(OD450).
将鼠单抗129G1以10 mg/kg的剂量用单剂尾静脉注射的方式注入HBV转基因小鼠体内.每组2只HBV转基因小鼠,同时以磷酸盐缓冲液(PBS)作为对照组.通过眼眶后静脉丛取血的方式采集小鼠血液样品,检测血清中的DNA及HBsAg水平的变化.
检测血清中HBsAg的水平:鼠单抗129G1稀释到2 μg/mL包被化学发光板,将采集的小鼠血样用20%(体积分数,下同)新生牛血清(NBS)稀释为1:30和1:150进行定量检测,再将15 μL稀释好的样品与7.5 μL变性缓冲液(15%(质量分数)十二烷基磺酸钠(SDS)和20 mmol/L pH 7.4 PBS)充分混匀,37 ℃孵育1 h后再加入90 μL中和缓冲液(4%(质量分数)3-[3-(胆酰氨丙基)二甲氨基]丙磺酸内盐(CHAPS)和20 mmol/L pH 7.4 PBS混合).将混合样品取出100 μL加到化学发光板中,37 ℃孵育1 h,洗板5次,每孔加入HBs-A6A7-HRP(A6A7为一种抗HBsAg的鼠单抗)反应液100 μL,37 ℃孵育1 h.同时使用已知浓度的标准品做同样的实验,绘制标准曲线从而计算出待测样品的HBsAg浓度.
血清中HBV DNA的定量检测按实时荧光定量检测试剂盒说明书进行.
采用最适匹配原则选择框架区(FR)模板[9],登陆NCBI(http:∥ncbi.nlm.nih.gov/)Blast搜索基因数据库,在查找框中输入鼠单抗129G1重链可变区(VH)和轻链可变区(VL)的氨基酸序列,系统自动搜索与鼠单抗129G1的VH和VL同源性最高的人源抗体可变区的氨基酸序列,从而确定了与鼠单抗129G1的FR同源性最高的人胚系基因的VH和VL序列.
将鼠单抗129G1的6个CDR插入选取的人胚系基因的FR上,采用多种方法逐个分析人、鼠抗体FR中的不同氨基酸,对于不重要的氨基酸直接进行人源替换,对于一些靠近CDR的重要氨基酸及同一位点性质不同的氨基酸可以选择人、鼠2株替换方式.根据抗体可变区序列中突变氨基酸的个数计算出构建的人源化单链抗体(ScFv)库的库容量:抗体库容量=2N(N为抗体可变区序列中突变点的个数).
根据选取的人胚系基因FR碱基序列设计PCR引物,并在突变位点设计简并引物,VL和VH之间用短肽(GGGGS)3连接,采用重叠延伸PCR的方法获得129G1人源化单链抗体库基因片段,克隆到噬菌体展示载体pCGMT中,电转构建噬菌体ScFv库.
对于噬菌体抗体的筛选采用固相筛选的方法进行重复的3轮“吸附—洗脱—感染—扩增”富集筛选,筛选强度逐轮增强.首先HBsAg以6 μg/mL(第2轮1 μg/mL,第3轮0.6 μg/mL)的质量浓度包被酶联免疫吸附实验(ELISA)板,再向包被的板中加入噬菌体ScFv库(投入噬菌体滴度在1011以上),37 ℃孵育30 min(第2轮20 min,第3轮10 min)后,PBS洗5次以去除非特异性结合; 从第2轮起增加磷酸盐-吐温缓冲液(PBST)洗16次(第3轮洗20次),第3轮最后1次PBST洗涤时在37 ℃浸泡6 h,再用对数期的ER2738菌株感染、涂板.挑取平板上的菌落进行噬菌体ScFv的表达,用HBsAg包被ELISA板,对其进行ELISA检测.
本研究采用双质粒共转染悬浮CHO细胞表达IgG抗体.新复苏的CHO细胞传代3~4次后,细胞密度达到4×106 mL-1左右时可用于转染.将构建的分别带有抗体轻、重链基因片段的PTT5质粒和1 μg/μL聚乙烯亚胺(PEI)按1:2的质量比分别加到占转染总体积5%的150 mmol/L NaCl溶液中,混匀,再立即把PEI-NaCl混合液加入到质粒-NaCl混合液中,振荡混匀8 s后静置8 min.把已配好的混合物缓慢加入处理后的细胞上清中,混匀后在CO2培养箱中37 ℃培养4 h,再补加等体积的无血清培养基SFMⅣ,32 ℃摇床连续表达7 d,收集细胞上清,进行protein-A纯化.
用3 μg/mL HBsAg 包被化学发光板.将纯化后的待测抗体用PBS稀释到200 μg/mL,在血凝板中用20%NBS以3倍比例共稀释为12个梯度(首孔稀释为20 μg/mL),再加入到包被好的化学发光板中,37 ℃孵育1 h后洗板5次,甩干后加入100 μL的羊抗人IgG(IgG-HRP)(1:5 000),37 ℃孵育30 min,洗板5次甩干后加入显色液,读值.
THP-1细胞株在体积分数为90% RPMI1640+10% 胎牛血清(FBS)的培养基中长至1.0×106 mL-1,将其转移到24孔板培养.同时将经CHO细胞表达的100 μg/mL HBsAg与梯度稀释的待测抗体混合37 ℃孵育30 min,再将200 μL的抗原抗体混合液加入到培养的THP-1细胞中,CO2培养箱中37 ℃培养60 min,离心吸取100 μL上清进行HBsAg定量.HBsAg浓度测定使用由北京万泰海沧公司提供的HBsAg定量试剂盒,以已知浓度的标准品做同样的实验,基于标准品的测定结果绘制标准曲线,再根据标准曲线计算出待测样品的HBsAg浓度.
将待测抗体以10 mg/kg的剂量用单剂尾静脉注射的方式注入HBV转基因小鼠体内,每组2只HBV转基因小鼠,通过眼眶后静脉丛取血的方式采集小鼠血液样品,检测血清中HBV DNA及HBsAg水平的变化.血清中HBV DNA及HBsAg水平的测定方法同1.2.2.
以HBsAg蛋白免疫BALB/c小鼠,用常规杂交瘤技术筛选出具有特异结合活性的单克隆抗体,并在HBV转基因小鼠中评估治疗效果.鼠单抗以10 mg/kg的剂量注射到小鼠体内,PBS作为对照组,每天采集小鼠血清样品,监测其中HBsAg和DNA水平的变化情况.图1的检测结果显示:鼠单抗129G1注射小鼠体内后,小鼠血清中的HBV DNA及HBsAg水平均会明显下降,说明129G1在小鼠体内具有清除病毒、抑制病毒扩增的生物学活性; 同时,单剂量注射鼠单抗
图1 鼠单抗129G1在动物体内的治疗效果评估
Fig.1 Evaluation of 129G1 monoclonal antibody(mAb)therapeutic effects in vivo
129G1能有效抑制血清中HBsAg达3 d,持续有效抑制血清中的HBV DNA达10 d左右,说明这株鼠单抗129G1在HBV转基因小鼠体内有良好的病毒及HBsAg清除能力.
进一步用合成肽来鉴定鼠单抗129G1的抗原识别表位.将合成的27条短肽分别包被ELISA板,再用鼠单抗129G1进行ELISA检测,结果如表2所示:在合成的27条短肽中仅有s18与鼠单抗129G1有结合反应(OD450=2.853),其他肽段的反应结果均为阴性.该结果证明鼠单抗129G1与HBsAg的表位结合序列为CCCTKPSDGNCTCIP,位于HBsAg氨基酸序列的第137~151位.
提取129G1杂交瘤细胞株的总RNA并反转录为cDNA,再PCR扩增出鼠单抗129G1的VH和VL的DNA片段并测序,用IMGT抗体分析数据库分析得到抗体的CDR序列(表3).接下来通过CDR移植和噬菌体展示相结合的方法对鼠单抗129G1进行人源化.首先通过NCBI Blast搜索基因数据库,得到与鼠单抗129G1 FR同源性最高的人抗胚系基因的VH和VL序列.最终确定以Human1-69-02及Human1-9-01胚系基因序列分别作为鼠单抗129G1人源化改造的重链和轻链FR模板.
首先将129G1的CDR序列移植到这2条人抗胚系基因的FR中,再分析人抗胚系基因的FR与鼠单抗129G1 FR中氨基酸的差异.性质差异大的氨基酸替换容易影响到人源化抗体的活性,因此针对这些位点的氨基酸差异设计一个多样化重组的抗体序列库.具体而言,通过简并引物在这些氨基酸位点引入鼠源及人源氨基酸2种替换,采用重叠延伸PCR的方式获得重组抗体DNA片段库,将其克隆至噬菌体载体中,从而获得噬菌体ScFv库.在FR有33个位点设计了2种氨基酸的替换,其中重链18个,轻链15个,因此129G1人源化ScFv库的氨基酸序列多样性理论上为233≈5.37×108.构建的噬菌体ScFv库针对HBsAg经过多轮固相富集筛选,检测噬菌体单链抗体与HBsAg的结合活性.在ELISA检测结果中,有5株人源化噬菌体单链抗体(129G1-36,129G1-45,129G1-59,129G1-75,129G1-81)显示与HBsAg有很强的结合活性,与鼠单抗129G1的噬菌体单链抗体结合活性相当.
上述5株人源化抗体在FR的氨基酸差别如图2所示,其中有7个位点的氨基酸全部保留为鼠单抗的氨基酸,说明这些氨基酸对保持CDR的正确构象非常重要.将这5株人源化抗体和人鼠嵌合抗体的基因克隆至真核表达载体中,瞬间转染至Flp In CHO细胞表达并纯化出完整IgG抗体,纯化后IgG抗体的SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)结果如图3所示.同时通过化学发光法检测129G1人源化抗体与HBsAg的结合活性.结果显示这5株人源化抗体与HBsAg抗原均有结合活性(图4),从曲线拟合计算出半数最大效应浓度(EC50)来看,5株抗体的EC50在0.78~5.02 μg/mL之间,129G1-45、129G1-81人源化抗体与HBsAg的结合活性要稍好于嵌合抗体c-129G1,其中129G1-45的结合活性最好,EC50约为0.78 μg/mL.而129G1-36和129G1-59的EC50与嵌合抗体c-129G1相比分别相差约2倍和4倍.
M.蛋白质分子质量标准; 1~6依次为129G1-36,129G1-45,
129G1-59,129G1-75,129G1-81,c-129G1.
通过本实验评价人源化抗体在体外介导THP-1细胞的吞噬能力,以人鼠嵌合抗体作为对照,将纯化后的抗体从起始浓度32 μg/mL开始进行2倍梯度稀释,共稀释12个梯度.结果如图5所示:这些人源化抗体均能在体外介导THP-1细胞进行吞噬作用,嵌合抗体介导的吞噬率达50%时,使用的抗体质量浓度约为1.92 μg/mL,人源化抗体129G1-81与129G1-45介导的吞噬效率与嵌合抗体相当,当吞噬率达50%时需要的抗体质量浓度分别约为1.45与2.77 μg/mL,剩余3株人源化抗体介导的吞噬率达50%时,所需的抗体浓度约为嵌合抗体的2~8倍.
通过HBV转基因小鼠评价129G1人源化抗体在动物体内的病毒清除能力,从而间接反映人源化抗体作为治疗药物的潜力.5株与抗原结合能力强弱不同的人源化抗体与嵌合抗体以10 mg/kg的剂量注射到小鼠体内,每天采集的小鼠血清样品中DNA和HBsAg水平的变化情况如图6所示.
RLU:相对单位,下同.
检测结果显示,这5株人源化抗体注射HBV转基因小鼠体内后,小鼠血清中的DNA及HBsAg水平均有不同程度的下降,说明这些人源化抗体在动物体内具有清除病毒、抑制病毒扩增的生物学活性.同时129G1-81这株与抗原结合活性较好的抗体,在动物体内也表现出最好的治疗效果,单剂量注射能有效抑制HBV及HBsAg达3 d.因此,动物实验结果与抗原结合实验结果、细胞吞噬实验结果基本呈正相关,129G1-81这株人源化抗体在小鼠体内表现出了良好的有效抑制小鼠血清中HBV DNA及HBsAg水平的能力.
截至2015年7月,已有40余种抗体药物获得美国食品药品监督管理局批准在美国上市[10],其中新批准的治疗性抗体药物多以人源化抗体及全人源抗体为主,这是治疗性抗体药物发展的趋势.大量的临床实验证明鼠源单克隆抗体具有比较高的免疫原性,因此在临床试验中屡受失败.为了减轻人抗鼠抗体免疫排斥反应[11],动物源单克隆抗体药物应用于人体前必须要进行人源化改造,同时也可以更加有效地激活人体免疫系统,降低抗体类药物的清除速度,并延长半衰期.但是单纯的CDR移植很难完全达到亲本鼠抗的特异性及亲和力,因为FR的某些氨基酸是维持抗体CDR同抗原结合所不可替代的[12-13],所以本研究又对CDR移植后的抗体FR氨基酸进行了回复突变的设计.采用噬菌体抗体库的技术进行筛选,能得到亲和力较高的特异性抗体的多样性集合,有利于后续生物活性的分析.
本研究主要从三方面评价改造后的129G1人源化抗体的生物学活性,即与抗原的反应性、在体外介导的THP-1细胞吞噬作用以及在小鼠体内的病毒清除能力.129G1人源化抗体和HBsAg的结合活性是通过灵敏度高于ELISA检测的化学发光法进行测定的,通过EC50值进行最终抗体与抗原结合活性的比较.不同的人源化抗体与HBsAg结合形成不同的复合物,根据它们介导THP-1细胞吞噬程度的不同,用来评价129G1人源化抗体体外清除HBsAg的效果.利用HBV转基因小鼠评价129G1人源化抗体在小鼠体内的HBV清除能力,可以直观反映不同抗体作为治疗性药物的潜力.最终挑选了5株人源化抗体进行评估,综合3项评估的结果,129G1-81这株抗体表现最优.在结合实验中,129G1-81的结合能力要稍好于嵌合抗体; 介导THP-1细胞吞噬作用的实验中,当吞噬率达50%时需要的抗体质量浓度约为1.45 μg/mL; HBV转基因小鼠实验中,129G1-81能有效抑制小鼠血清中HBV DNA及HBsAg水平达3 d,但并没有形成持久的清除效果,可能需要重复多次注射抗体才能达到持续有效的清除效果.总之,129G1-81人源化抗体可能会成为慢性乙肝治疗的候选抗体药物之一.