纳米抗体

纳米抗体（Nanobody, Nb），又称为单域抗体（Single-domain antibodies, sdAbs），是来源于骆驼科动物和鲨鱼的一种独特的抗体，最初由比利时免疫学家Hamers-Casterman于1989年在分离骆驼血清中的抗体时偶然发现。

传统抗体的结构类似于“Y”形，是由两条重链和两条轻链构成的对称结构。一些骆驼科动物等在其生长进化的过程中，自身的免疫系统中出现了缺失轻链及重链CH1结构但完全保留抗原结合活性的重链抗体（HCAb）。HCAb特异性结合抗原的区域为其重链的可变区，即VHH（Variable domain of heavy chain of heavy-chain antibody）。VHH经重组表达后，可获得只含有单个结构域的最小单元抗原结合片段，即纳米抗体。

纳米抗体仅有12~14 kDa，其晶体直径为2.5 nm，长4 nm，因此被认为是已知的可以与抗原结合的最小单位。

各类抗体结构示意图

图1 各类抗体结构示意图

纳米抗体的优势特性

纳米抗体基于重链抗体VHH的特殊结构，集传统抗体与小分子药物的优点于一体，并在诸多方面克服了传统抗体的缺陷，逐渐在生物医药研发与临床体外诊断行业中大放光彩。其优势在于：

1、分子量小。传统抗体分子量约150 kDa，纳米抗体约是其十分之一；不仅如此，纳米抗体具有极强的组织渗透力，可直接穿透血脑屏障，利于对肿瘤的诊断与靶向治疗。

2、免疫原性低。纳米抗体不含Fc段，避免了Fc段引起的免疫反应，且与human VH的同源性较高（67%~87%），与人的生物相容性较好。

3、特异性强，抗原亲和力高。由于重链可变区是抗原主要结合区域，并且VHH的CDR3区更长，氨基酸残基数是传统VH的2~3倍，这样的结构特性，可以形成指状凸环并嵌入抗原分子沟槽或裂隙内，进一步识别抗原表面的孔洞或隐藏的表位；不仅如此，VHH的CDR3可以和CDR1甚至FR2间多形成一条二硫键用于稳定结构，可以最大程度优化结合位点的拓扑结构，并且促进CDR3朝向抗原的方向。因此，天然重链抗体及其进一步重组得到的纳米抗体具有更强的抗原结合能力。

4、适用于原核表达和各种真核表达系统，大规模生产成本低、周期短。纳米抗体具有亲水性和单多肽性，且缺乏糖基化修饰，可在原核表达系统中进行重组生产，具有相当的成本效益。同时，纳米抗体不易丧失生物活性，易于储存。

5、高亲水性。普通单域抗体轻重链断开后，VH表面的氨基酸疏水残基因大量暴露会相互粘附甚至聚集成块。而在纳米抗体中，FR2上的疏水性氨基酸Val37、Gly44、Leu45、Trp47突变为亲水性的Phe/Tyr37、Glu/Gln44、Arg/Cys45、Gly/Phe/Ser/Leu47，水溶性增加，抗体聚合因此减少。

6、高稳定性、高耐性。纳米抗体的高稳定性来源于其内部的多个二硫键，可耐受高温、强酸、强碱等致变性条件，在90℃处理后仍能复性并重新获得生物活性。

纳米抗体的局限

纳米抗体虽有具有较多优势但仍然存在着一定的局限性。传统抗体主要从可人工饲养的实验小鼠中获得。相比之下，纳米抗体的开发原料则多依赖从羊驼等骆驼科动物中进行提取。因此，大规模开发纳米抗体需要大规模的畜牧业或者动物饲养机构给予支持，且需选择健康良好、体型适中的动物，这是相对困难的。

此外，纳米抗体作为治疗性药物时，由于其体积小，因此肾脏清除快，半衰期短，有时需要通过一些方法来延长其半衰期。

为什么选用羊驼制备纳米抗体？

1、重链抗体在羊驼的血清抗体中约占比40~50%，有利于目标抗体的筛选与提取；
2、羊驼VHH除了正常的23位与104位形成二硫键外，纳米抗体库中约30%的序列在55位与CDR3之间存在额外的一对二硫键，可以提高抗体结构的稳定性；
3、羊驼VHH与human VH的同源性较高，约在80%~87.3%之间；
4、羊驼中主要存在VHH3亚系，VHH3的CDR3长度较长，并存在16~24个氨基酸残基，可形成指状凸环嵌入抗原分子沟槽或者裂隙中，增加与抗原相互作用的面积，具有高度的可溶性与抗原结合能力；
5、羊驼体积小、性格温顺、易饲养，被认为是纳米抗体的最佳来源之一。

羊驼体内还有其他亚型的抗体吗？

羊驼体内血清抗体主要包括IgG1，IgG2和IgG3三种亚型，其中IgG1与传统抗体结构相似，含有2条重链和2条轻链；IgG2和IgG3是缺少CH1和轻链结构域的重链抗体。

展望前景

自上世纪九十年代被报道至今，纳米抗体基于其优越的特性如分子量小、结构稳定、可溶性好、特异性强、免疫原性弱、生产成本低等，已经成为了抗体工程研究最前沿的技术之一，被广泛应用于生物学和医学等领域，具有广阔的应用前景。

参考文献
[1]Jovčevska Ivana,Muyldermans Serge. The Therapeutic Potential of Nanobodies.[J]. BioDrugs : clinical immunotherapeutics, biopharmaceuticals and gene therapy,2020,34(1).
[2]严昊,冯建远,张子仪,杨松鑫,徐春雨,韦萌,黄清萍,陈海兰.纳米抗体的制备与临床应用研究进展[J].中国畜牧兽医, 2021,48(02)：685-694.DOI: 10.16431/j.cnki.1671-7236.2021.02.031.