金斯瑞合成生物（抗体改造最新综述-Fc改造）

抗体是免疫系统的核心组成部分，可以预防和控制病原体的传播，同时对再次感染的提供长期保护。经典描述为Y型分子，抗体包含两个完全相同的抗原结合片段（fragment antigen binding, Fab）和一个可结晶片段（fragment crystallizable, Fc）。Fab介导抗原抗体结合，Fc无抗原结合活性，是抗体与细胞表面Fc受体相互作用的部位。IgG、IgA和IgE抗体可通过Fc段与表面具有Fc受体（FcR）的细胞结合，产生不同的生物学效应（图1）。

图1|抗体Fc介导的生物学效应

Fc介导的生物学效应

抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用（antibody-dependent cellular cytotoxicity, ADCC），抗体的Fab段结合病毒感染的细胞或者肿瘤细胞表面的抗原表位，其Fc段与杀伤细胞（NK细胞、巨噬细胞等）表面的FcR结合，介导杀伤细胞直接杀死靶细胞，NK细胞是介导ADCC的主要细胞。

抗体依赖的细胞介导的细胞吞噬作用（antibody-dependent cellular phagocytosis, ADCP），细菌特异性的IgG以其Fab段与相应细菌的抗原表位结合，以其Fc段与巨噬细胞或者中性粒细胞的FcR结合，通过IgG的桥梁作用，促进吞噬细胞对细菌的吞噬。

补体依赖的细胞毒作用（complement dependent cytotoxicity, CDC）,抗体和相应的抗原结合后，因构象的改变而使Fc段补体结合位点暴露，从而激活补体系统，补体系统被激活后，在靶细胞表面形成MAC，导致靶细胞溶解。

Fc与FcRn（新生儿受体）结合延长半衰期，IgG的Fc 区域与FcRn的结合是pH依赖性的，在细胞内酸性条件下高亲和力结合FcRn，在血液中微碱条件下与FcRn迅速解离，通过这种受体介导的再循环机制，从而延长了IgG的半衰期。

Fc受体

抗体与抗原结合后，抗体的Fc段构象发生改变，与细胞膜的Fc受体结合之后产生各种生物效应。抗体复合物对细胞的作用都是通过Fc受体的介导，因此Fc受体在免疫功能及其调节中具有非常重要的作用，人的Fc受体如图2所示。

图2|人的Fc受体在细胞膜上的示意图。ITAM，免疫受体基于酪氨酸的激活基序； ITIM，免疫受体基于酪氨酸的抑制性基序（来源：Immunological Reviews）

2020年11月17日，Antibodies期刊上发表名为“Fc-Engineering for Modulated Effector Functions-Improving Antibodies for Cancer Treatment”的综述文章，系统讲述了Fc改造的技术。目前对抗体Fc的改造工作主要包括：增强效应功能（ADCC、ADCP和CDC）、减弱效应功能和延长半衰期等方面。

Fc改造增强ADCC及ADCP

如上所述，FcγRs对IgG效应功能至关重要。 因此，Fc改造策略的核心就是提高对FcγRs的亲和力以增强Fc效应功能（例如 ADCC和ADCP），从而提高了抗癌抗体的功效。表1总结了相关的实验策略。

表1.增强细胞效应功能和FcγR的亲和力的Fc突变（来源：Antibodies）

在过去的2-3年中， FcγR与IgG结合的氨基酸已经确定。 在2001年的一项开创性研究中，Shields利用丙氨酸扫描突变的高分辨率图谱确定了hIgG1中与hFcγR和hFcRn结合的氨基酸，如图3A所示。hFcγRs的结合位点位于hIgG1的低铰链区和CH2近端区域。 这些相互作用中的关键残基成为突变的重点，如图1B所示。 以上研究为更好地了解IgG分子如何与FcγRs相互作用奠定了基础。表2展示的是目前已批准用于临床或后期开发的Fc工程抗体。

图3|增强抗体效应功能的Fc改造|A.增强抗体效应功能的Fc突变体的详细技术的时间轴，字母指的是在正文中讨论的引入的氨基酸取代的通用符号。B. 先前鉴定的影响效应细胞功能的Fc点突变已在hIgG1 Fc晶体结构模型上进行注释（PDB:3AVE) （来源：Antibodies）

表2.目前已批准用于临床或后期开发的Fc工程抗体。F（ab）手臂交换改造的IgG4抗体尚未包括在内。红色为提高ADCC而设计的抗体，蓝色为Fc功能丧失而设计的抗体（来源：Antibodies）

Fc改造增强CDC

补体依赖的细胞毒性指的是补体参与的细胞毒作用，该过程所形成的攻膜复合物对靶细胞发挥裂解效应。增强补体依赖性细胞毒性的Fc改造如图4所示。

图4|增强补体依赖性细胞毒性的Fc改造|A.先前鉴定的影响补体依赖性细胞毒性的点突变已在hIgG1 Fc晶体结构模型上进行注释，字母指的是在正文中讨论的引入的氨基酸取代的通用符号。B.野生型和突变体的补体效应的比较（来源：Antibodies）

Fc改造增强与FcγRIIB的结合

FcγRIIB是人类和小鼠表达的唯一抑制性FcγR，在直接靶向肿瘤的抗体中，FcγRIIB的表达与抗体疗效降低有关。例如，利妥昔单抗在肿瘤细胞表面的内化与FcγRIIB表达相关，高表达的FcγRIIB降低了利妥昔单抗的活性。然而，另一方面，FcγRIIB可以正向调控激动性抗体的活性。最初报道的激动性抗DR5抗体，它需要与FcγRIIB相互作用后才更好地发挥抗肿瘤作用，目前临床前实验发现多个肿瘤坏死因子受体超家族（TNFRSF）成员也具有类似的作用机制，例如CD40、4-1BB和 OX40。于是，提高FcγRIIB亲和力的Fc改造逐渐成为了激动性抗癌抗体的研发热点，如图5所示。

图5|增强FcγRIIB亲和力的Fc改造|A.先前鉴定的Fc中增强FcγRIIB亲和力的点突变已在hIgG1 Fc晶体结构模型上进行注释（PDB:3AVE) 。B.野生型和突变体与Fc受体亲和力的比较。FcγRIIAH FcγRIIA-H131, FcγRIIAR FcγRIIA-R131, FcγRIIIAF FcγRIIIA-F158, FcγRIIIAV FcγRIIIA-V158（来源：Antibodies）

Fc改造产生没有Fc效应的抗体

前文已经详细讲述了许多增强Fc效应功能的方法。 然而，FcγR和补体参与的免疫应答可能影响某些抗体的疗效，因此可能需要一些Fc无效或沉默的抗体。 例如，以阻断细胞表面受体或细胞因子为目标的抗体是不需要Fc效应功能的，反之可能是有害的。特别是对于需要目标细胞低损耗的免疫检查点抑制剂抗体，这一点尤其重要。目前，许多临床批准的抗癌检查点抑制剂主要是天然低Fc效应功能、无Fc或Fc沉默的抗体。 表3总结了Fc沉默的相关技术，关键的氨基酸残基如图6B所示。

表3.与野生型抗体相比，Fc沉默的突变体的效应功能或与FcγR的亲和性呈降低趋势（来源：Antibodies）

图6||降低抗体的效应功能和/或FcγR亲和力的Fc改造| A. Fc沉默突变体的详细技术的时间轴.字母指的是在正文中讨论的引入的氨基酸取代的通用符号。B.先前鉴定的沉默Fc功能的Fc点突变已在hIgG1 Fc晶体结构模型上进行注释（PDB:3AVE) （来源：Antibodies）

总结

到目前为止，临床上以增强效应功能为目的的抗体Fc改造的应用最为广泛，主要是通过增强与FcγR亲和力。以去除岩藻糖为核心的Fc糖工程改造技术进一步提高了效应细胞的功能。虽然这没有导致治疗结果发生重大改变，但是诸如obinutuzumab、mogamulizumab 和margetuximab等抗体的成功证明了Fc改造单克隆抗体可以为患者带来好处。其它研发的抗体以此为基础，特别是基于S239D / I332E突变的抗体的开发，发现该突变极大地增强ADCP和ADCC。FcγR对靶向检查点抑制受体PD-1的抗体活性的有害作用是显而易见的，经过合理改造的Fc沉默抗体已获得批准。总的来说，在临床上主要采用含有S228P突变的IgG4突变体，以防止所有IgG4单克隆抗体发生Fab臂的交换。相较于IgG1的沉默突变，在IgG4单抗上引入额外的Fc沉默突变是否带来巨大的临床效益，这是我们需要关注的问题。抗体工程面临的一个挑战就是需要平衡抗体活性和有害毒性，这对于免疫刺激抗体或需要半衰期延长的抗体尤为重要。随着越来越多的Fc改造的抗体进入临床试验，为了最大程度地受益于患者，全面评估这些变化的相对优点将变得越来越重要。

参考文献

1. Rena L, Robert JO, Emma T, et al. Fc-Engineering for Modulated Effector

Functions-Improving Antibodies for Cancer Treatment [J]. Antibodies 2020, 9, 64.

2. Pierre B, Friederike J. Mouse and human FcR effector functions [J]. Immunological Reviews 2015, 268:25-51.