抗GPC3/CD3雙特異性重鏈抗體的制備及其抗肝癌作用評價

李永成， 祝強強， 王彥婷， 王 洋， 孫亞奇， 陸 斌*

1. 海軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)院生化藥學(xué)教研室，上海 200433 2. 上海市第四人民醫(yī)院病理科，上海 200434 3. 海軍軍醫(yī)大學(xué)長海醫(yī)院藥劑科，上海 200433

肝細胞肝癌(hepatocellular carcinoma，HCC)是全球癌癥死亡的第四大常見病種[1]，五年生存率僅為10%[2]。晚期肝癌患者喪失手術(shù)切除指征，只能進行放化療，治療效果欠佳[3-4]。因此針對肝癌進行特異性靶標(biāo)的篩選和生物靶向治療成為了研究熱點。Glypican-3(GPC3)是硫酸乙酰肝素糖蛋白家族中的一員，通過糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨定在細胞膜表面。約70%的HCC存在GPC3表達[5]，而絕大多數(shù)正常成人組織及肝臟良性病變中沒有表達[6]。研究[7]還發(fā)現(xiàn)，GPC3在刺激細胞惡性轉(zhuǎn)化，通過經(jīng)典Wnt信號通路促進肝癌生長中起著關(guān)鍵作用。因此，GPC3作為一種肝癌特異性表達抗原，是肝癌免疫治療的潛在靶點。

既往抗GPC3人源化抗體GC33的Ⅱ期臨床試驗發(fā)現(xiàn)其在晚期HCC患者中療效未達到預(yù)期，終止了臨床試驗[8]?？笹PC3單域抗體HN3作為一種僅含單個重鏈可變區(qū)的特殊抗體，具有相對分子質(zhì)量小且易于滲透的特點，能發(fā)揮一定的抗肝癌效果[9]。將其與PE38等毒素融合構(gòu)建免疫毒素，可進一步增強抗腫瘤活性[10]。將抗CD3 scFv和抗GPC3 scFv用短的Linker進行連接構(gòu)建雙特異性T細胞銜接子(BiTE)，可有效募集T細胞靶向殺傷GPC3陽性肝癌細胞[11]。但BiTE親和力低、純化困難和半衰期短的缺點限制了其應(yīng)用。

另外靶向GPC3的嵌合抗原受體T細胞(CAR-T)免疫療法也是目前肝癌治療熱點之一，多個機構(gòu)開展了臨床試驗，其中一項Ⅰ期臨床試驗結(jié)果表明了其初步安全性[12]。但是發(fā)熱、淋巴細胞計數(shù)減少和細胞因子釋放綜合征(CRS)等不良反應(yīng)以及個體化療法存在的高成本和批量生產(chǎn)的局限性，限制了其進一步發(fā)展。

因此，本研究通過將抗GPC3 sdAb和抗CD3 sdAb相結(jié)合構(gòu)建抗GPC3/CD3 BiHcAb，一方面較傳統(tǒng)雙特異性抗體相對分子質(zhì)量小，易于滲透；另一方面加入IgG4 Fc段有利于提高穩(wěn)定性、便于純化。本研究主要初步評價其體內(nèi)外的抗肝癌效果。

1 材料與方法

1.1 細胞系 人肝癌細胞系SK-Hep-1和Hep3B，人皮膚鱗癌細胞系A(chǔ)431，HEK-293F，人淋巴瘤細胞Raji均由本實驗室保存。A431-GW為穩(wěn)定轉(zhuǎn)染人GPC3的A431細胞。PMBC來源于健康人(海軍軍醫(yī)大學(xué)醫(yī)學(xué)研究倫理委員會倫理審批號：NMUMREC-2021-050)。

1.2 細胞培養(yǎng) A431和A431-GW于含10% FBS的DMEM培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，Hep3B和SK-Hep-1于含15% FBS的MEM培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，PBMC于10% FBS的RPMI 1640培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)條件5%CO2、37℃、飽和濕度。HEK-293F細胞在無血清CD 293 TGE Medium培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)條件7%CO2、37℃，轉(zhuǎn)速115 r/min(r=2.5 cm)，飽和濕度。

1.3 載體構(gòu)建 委托金唯智生物公司全基因合成抗CD3和抗GPC3重鏈可變區(qū)，其氨基酸序列參考WO2010037838A2和US9206257B2，通過密碼子優(yōu)化方式將其轉(zhuǎn)換為核酸序列；合成抗GPC3/CD3 BiTE序列，其氨基酸序列參考GC33和OKT3序列，C端加入6×His。二者序列分別以AgeⅠ、ApaⅠ和AgeⅠ、BamHⅠ插入pCMV-IgG4載體中。

1.4 抗體表達純化 將重組質(zhì)粒以PEI轉(zhuǎn)染法導(dǎo)入HEK-293F細胞中，6～7 d后收集培養(yǎng)上清。BiHcAb通過Protein A柱進行純化，BiTE通過鎳柱進行純化。

1.5 流式細胞術(shù) 收集細胞，將檢測抗體用5%的BSA稀釋到10 μg/mL，冰上孵育1 h，清洗2遍后，BiHcAb用Alexa Fluor 488標(biāo)記的Anti-human IgG抗體，BiTE用Alexa Fluor 488標(biāo)記的Anti-His Tag抗體，避光孵育45 min，再清洗2遍，上機檢測。

1.6 細胞殺傷實驗 以1×105個/孔的靶細胞與PBMC以1∶20的比例共培養(yǎng)并加入10 μg/mL抗體為實驗組，并設(shè)置效應(yīng)空白組、靶細胞空白組以及陽性對照組，培養(yǎng)72 h后用CytoTox-Glo Cytotoicity Assay進行檢測。

1.7 ELISA檢測 采用森雄公司的IFN-γ、TNF-α、IL-2、IL-6的ELISA檢測試劑盒，按說明書檢測上述共培養(yǎng)體系中細胞培養(yǎng)上清中各細胞因子濃度。

1.8 裸鼠體內(nèi)肝癌細胞異體移植模型 每組4周齡雄性裸鼠5只，共5組，分別在其背部接種1×107個Hep3B細胞和1×108個PBMC。注射后0.5 h，尾靜脈注射含有相應(yīng)濃度的BiHcAb和BiTE抗體150 μL，以生理鹽水為陰性對照，連續(xù)5 d通過尾靜脈注射抗體。觀察21 d后處死小鼠，期間測量腫瘤直徑大小，并計算腫瘤體積=(長×寬2)/2。

2 結(jié) 果

2.1 抗GPC3/CD3雙特異性重鏈抗體的構(gòu)建與表達 將全基因合成的抗GPC3和抗CD3的單域抗體VHH序列以AgeⅠ和ApaⅠ酶切位點克隆至含IgG4 Fc段(包括野生型、Knob或Hole突變體)的表達載體pCMV-IgG4中，雙酶切篩選獲得正確克隆(圖1A)。同時將抗GPC3/CD3 BiTE序列以AgeⅠ和BamHⅠ酶切位點克隆至表達載體pCMV中。轉(zhuǎn)染HEK-293F細胞，搖瓶中懸浮培養(yǎng)進行表達。純化濃縮后，進行蛋白電泳和考馬斯亮藍染色。結(jié)果顯示：抗GPC3 HcAb、抗CD3 HcAb、抗GPC3/CD3 BiHcAb的相對分子質(zhì)量約100 000，還原狀態(tài)下相對分子質(zhì)量約40 000；抗GPC3/CD3 BiTE的相對分子質(zhì)量約為50 000(圖1B)，提示成功構(gòu)建了4種抗體。

圖1 重鏈抗體和BiTE真核表達載體的構(gòu)建和蛋白表達檢測

2.2 重鏈抗體與細胞表面相關(guān)抗原的結(jié)合能力 流式細胞術(shù)檢測結(jié)果(圖2)發(fā)現(xiàn)：抗GPC3重鏈抗體能夠與內(nèi)源性表達GPC3的Hep3B細胞和過表達GPC3的A431-GW細胞相結(jié)合，而不能與不表達GPC3的SK-Hep-1和A431細胞結(jié)合；抗CD3重鏈抗體能夠與PBMC結(jié)合，而與不表達CD3的Raji細胞不結(jié)合。結(jié)果提示前期構(gòu)建的重鏈抗體具有與細胞表面相應(yīng)抗原的結(jié)合能力。

圖2 流式細胞術(shù)檢測重鏈抗體與細胞表面蛋白的結(jié)合

2.3 雙特異性重鏈抗體與細胞表面相關(guān)抗原的結(jié)合能力 結(jié)果(圖3)發(fā)現(xiàn)，抗GPC3/CD3 BiHcAb既能與內(nèi)源性表達GPC3的Hep3B細胞和過表達GPC3的A431-GW細胞相結(jié)合，也能與PBMC結(jié)合，而與不表達GPC3的SK-Hep-1和A431細胞不結(jié)合，也與不表達CD3的Raji細胞不結(jié)合(圖3A)；而抗GPC3/CD3 BiTE也具有相似的結(jié)合能力(圖3B)。結(jié)果表明構(gòu)建的BiHcAb和BiTE都具有與細胞表面相應(yīng)抗原的結(jié)合作用。

圖3 流式細胞術(shù)檢測雙特異性抗體與細胞表面蛋白的結(jié)合

2.4 雙特異性重鏈抗體介導(dǎo)的細胞殺傷作用 將靶細胞、PBMC和抗GPC3/CD3 BiHcAb(抗GPC3/CD3 BiTE、抗GPC3 HcAb或抗CD3 HcAb)共孵育72 h，細胞毒性檢測結(jié)果(圖4)發(fā)現(xiàn)：BiHcAb在表達GPC3的A431-GW和Hep3B細胞中的殺傷率分別是(43.1±9.0)%和(55.5±7.6)%，顯著高于BiTE組的殺傷率(5.3±10.1)%和(11.0±2.8)%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)；也顯著高于BiHcAb在不表達GPC3的A431和SK-Hep-1細胞的殺傷率(11.1±7.6)%和(12.6±1.3)%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。

圖4 雙特異性抗體介導(dǎo)的細胞殺傷效應(yīng)

2.5 雙特異性重鏈抗體介導(dǎo)的細胞因子釋放 結(jié)果(圖5)表明：BiHcAb在表達GPC3的A431-GW細胞上清中誘導(dǎo)IFN-γ、TNF-α、IL-2和IL-6的表達量分別為(936.3±20.9)、(1 178.2±35.8)、(854.1±81.0)和(818.8±25.2) pg/mL，顯著高于BiTE組，分別為(542.1±74.0)、(294.5±28.1)、(460.3±36.0)和(620.0±12.1) pg/mL，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。 同樣在內(nèi)源性表達GPC3的Hep3B細胞中，BiHcAb誘導(dǎo)IFN-γ、TNFα、IL-2和IL-6的表達量分別為(840.3±50.3)、(956.5±49.0)、(870.0±53.0)和(951.3±136.4) pg/mL，顯著高于BiTE組，分別為(386.2±27.1)、(362.0±22.7)、(542.5±33.7)和(505.1±26.1) pg/mL，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。

圖5 雙特異性抗體介導(dǎo)的細胞因子釋放

2.6 雙特異性重鏈抗體體內(nèi)抑制裸鼠肝癌細胞的生長 裸鼠種植實驗結(jié)果(圖6)表明：與NS組相比，高低濃度BiHcAb組均能顯著抑制肝癌細胞在裸鼠體內(nèi)的生長(P<0.01)，且也顯著優(yōu)于BiTE組(P<0.05)。與NS組相比，BiTE高濃度組可抑制肝癌生長(P<0.05)，但低濃度組作用不顯著。當(dāng)?shù)?1天時，各組裸鼠未出現(xiàn)惡液質(zhì)表現(xiàn)，但因腫瘤體積大于1 000 mm3，實驗終止，處死裸鼠，稱量體質(zhì)量，NS組、2 μg BiHcAb組、20 μg BiHcAb組、1 μg BiTE組和10 μg BiTE組的體質(zhì)量分別為(25.8±1.5)、(25.4±1.8)、(25.7±3.0)、(26.2±2.2)和(26.5±1.9) g。分離腫瘤組織，觀察發(fā)現(xiàn)GPC3/CD3 BiHcAb組裸鼠腫瘤平均直徑小于其他組別，提示BiHcAb具有良好的抗腫瘤活性。

圖6 雙特異性抗體體內(nèi)抑制裸鼠肝癌細胞生長

3 討 論

GPC3作為一種肝癌細胞表面特異性表達的糖蛋白，被認(rèn)為是肝癌靶向治療的重要標(biāo)志物，成為近年來肝癌診治研究的熱點。研究表明GPC3特異性抗體在肝癌的治療和診斷中具有重要的作用；同時靶向GPC3的免疫細胞治療如CAR-T細胞治療也已進入了臨床試驗階段。

然而目前CAR-T治療還處于發(fā)展階段，部分關(guān)鍵問題如細胞因子釋放綜合征、通用型CAR-T的制備及其在實體瘤的治療等方面都還未得到很好的解決，而且個體化療法所帶來的高昂治療費用是一般家庭難以承受的。

靶向人CD3/腫瘤相關(guān)抗原(TAA)的BiTE可作為抗腫瘤治療的重要手段。BiTE作用的發(fā)揮必須同時與T細胞表面的CD3和腫瘤細胞上的TAA相結(jié)合，然后激活T細胞，誘導(dǎo)細胞毒活性，釋放眾多細胞因子，從而發(fā)揮其抗腫瘤效應(yīng)[13]。BiTE具有相對分子質(zhì)量小、易穿透腫瘤組織、免疫原性低等優(yōu)點[14]，但其缺乏Fc段，易在體內(nèi)被快速消除，血液半衰期較短，僅為1.25 h左右，因此需要持續(xù)推注或者一天內(nèi)多次輸注以維持血藥濃度[15]。目前僅有一種靶向CD19/CD3的BiTE博納吐單抗(Blinatumomab)，被美國FDA批準(zhǔn)用于治療急性淋巴細胞性白血病。

20世紀(jì)90年代初，Hamers-Casterman等[16]偶然從駱駝中發(fā)現(xiàn)了一種缺乏輕鏈、僅有重鏈的抗體，稱為重鏈抗體(Heavy chain antibodies，HcAbs)，其單個重鏈可變區(qū)(VHH)即具有與抗原的結(jié)合能力，又被稱為納米抗體(Nanobody)。不同于VH中包含一個面向VL的疏水面，VHH是完全親水的結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性和溶解度優(yōu)于VH。VHH的CDR3區(qū)通常比常規(guī)抗體VH的CDR3長，可形成指狀延伸，以觸及常規(guī)抗體無法到達的抗原表位；同時長的CDR3可增大與抗原的相互作用面，部分補償了VL缺失帶來的影響[17]。

本研究通過構(gòu)建抗GPC3/CD3 BiHcAb，發(fā)揮其類似BiTE的功能，以分別結(jié)合T細胞和肝癌細胞，隨之激活T細胞發(fā)揮殺傷肝癌細胞的作用。同時重鏈抗體比完整抗體小、易于滲透，且因含F(xiàn)c段，比BiTE的穩(wěn)定性高，純化更為方便。研究結(jié)果表明BiHcAb在體外實驗中針對GPC3陽性細胞的殺傷率約為50%，遠高于BiTE的殺傷(約10%)。同時BiHcAb誘導(dǎo)釋放的IFN-γ、TNF-α、IL-2、IL-6等細胞因子的水平也高于BiTE組。這一方面由于BiHcAb帶有Fc段，其穩(wěn)定性優(yōu)于BiTE；另一方面由于與CD3和TAA抗原表位結(jié)合的VHH結(jié)構(gòu)域比BiTE中的scFv部分更小，可能使腫瘤細胞與T細胞在空間上更為靠近，導(dǎo)致能夠更好地持續(xù)性激活T細胞，釋放更多的細胞因子，最終發(fā)揮更好的腫瘤細胞殺傷活性。在裸鼠體內(nèi)移植瘤模型中，本研究進一步觀察了不同濃度抗GPC3/CD3 BiHcAb和抗GPC3/CD3 BiTE對肝癌生長的抑制效果，發(fā)現(xiàn)高低濃度BiHcAb組均具有較明顯的腫瘤抑制效果，而低濃度BiTE組抑制效果不明顯。結(jié)合體內(nèi)外的實驗，本研究初步證實BiHcAb較之BiTE具有更好的抗腫瘤活性。然而本研究僅初步評價了抗GPC3/CD3 BiHcAb的體內(nèi)外抗肝癌作用，以驗證本BiHcAb模型在腫瘤治療中的有效性。下一步還將深入探討該抗體的作用和具體機制，為將來的臨床應(yīng)用提供依據(jù)。