他们利用人源噬菌体抗体库筛选出了一个高效、且具有广谱抗肿瘤活性的抗CD98抗体（S1-F4），并通过基于分子结构的抗体工程学，开发出了一种具有pH依赖性的变体（H15L54）
自1997年利妥昔单抗（Rituximab）被美国食品药品监督管理局（FDA）批准以来，针对肿瘤特异性抗原或者肿瘤相关抗原的单克隆抗体，已发展为治疗多种癌症类型最重要、最成功的手段之一[1]。
CD98是一种在多种血液及实体瘤中高表达的肿瘤相关抗原，由于它在肿瘤发生、发展以及转移中的重要作用，被视为开发新的癌症药物的潜在靶标[2]。
不过，由于CD98在包括大脑、脾、小肠和血液系统等多种组织中都广泛表达，并且在造血干细胞和祖细胞的增殖与再生功能中扮演重要角色[3]，如何避免出现针对正常组织的靶向副作用是当前开发CD98抗体疗法的一个重要难题。
近日，北京生命科学研究所、清华大学生物医学交叉研究院的隋建华团队，在《自然·生物医学工程》上发表关于CD98抗体疗法的重要成果[4]。
他们利用人源噬菌体抗体库筛选出了一个高效、且具有广谱抗肿瘤活性的抗CD98抗体（S1-F4），并通过基于分子结构的抗体工程学，开发出了一种具有pH依赖性的变体（H15L54），有效地改善了抗CD98抗体的肿瘤特异性、药代动力学特征以及安全性。
该研究对于推进抗CD98抗体疗法在癌症治疗中的应用具有重要意义，同时也为针对类似广泛表达抗原的抗体研发提供了重要思路。
论文首页截图
接下来我们就来看一看隋建华团队是如何展开这一研究的。
研究人员首先通过人源噬菌体抗体库筛选出了多个针对人源CD98胞外结构域的抗体，并对其中抗原结合效果最好的HN2-G9的抗肿瘤活性进行了分析。结果显示，与已有的抗CD98抗体IGN523相比[4]，HN2-G9具有相似的抗肿瘤活性，不过其抗原结合效果较差（1.33 μM）。
因此，研究人员通过改变HN2-G9的重链，对其抗原结合亲和力进行了优化，开发出了S1-F4（58.2 nM）。S1-F4在包括B细胞淋巴瘤、肝癌、胰腺癌等多种异种移植小鼠肿瘤模型都显示出高效抗肿瘤活性。
由于异种移植小鼠肿瘤模型中CD98的表达仅局限于移植的肿瘤细胞，且免疫系统不完整，S1-F4在癌症患者的实际治疗效果和潜在安全问题可能得不到准确反映。
因此，研究人员在C57BL/6小鼠背景下，通过替换小鼠CD98的胞外结构域构建了人源化CD98小鼠模型，并测试了S1-F4在T细胞淋巴瘤、结肠癌、纤维肉瘤和黑色素瘤模型中的治疗效果。结果显示，除黑色素瘤外，S1-F4在其他三种肿瘤模型具有显著的抗肿瘤效果。
抗CD98抗体S1-F4具有广谱抗肿瘤活性
为了弄清楚S1-F4的抗肿瘤机制，研究人员分析了S1-F4对肿瘤细胞中CD98介导的氨基酸转运、肿瘤细胞增殖能力的影响，以及S1-F4的补体依赖的细胞毒性作用（CDC）、抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用（ADCC）和抗体依赖性细胞介导的吞噬作用（ADCP）。
结果显示，S1-F4并没有改变CD98介导的氨基酸转运，也并不影响HepG2和HCT-B细胞系的细胞增殖，这说明S1-F4的肿瘤细胞杀伤能力不是依靠影响CD98生理功能实现的。
体外CDC、ADCC和ADCP实验显示，S1-F4可以引起ADCC和ADCP，而该现象在FcR结合域被破坏的S1-F4变体（S1-F4DANA）中消失，说明S1-F4的抗肿瘤效果依赖于Fc-FcR介导的ADCC和ADCP。这一结论在动物模型中也得到了验证。
S1-F4的抗肿瘤效果依赖于Fc-FcR介导的ADCC和ADCP
表达FcR的常见免疫细胞有巨噬细胞、树突状细胞（DC）、自然杀伤细胞（NK）和中性粒细胞。为了确定哪种细胞参与了S1-F4的抗肿瘤功能，研究人员先利用特异性耗竭抗体分别清除了这些免疫细胞，随后对S1-F4的抗肿瘤功能进行了评估。
结果显示，清除巨噬细胞或DC后，S1-F4的抗肿瘤功能完全或部分丧失。该结果说明S1-F4的抗肿瘤功能依赖于巨噬细胞和DC。进一步分析显示，CD8+T细胞在S1-F4介导抗肿瘤效果中也具有重要作用，且S1-F4治疗可以诱导产生具有抗原特异性的长期免疫记忆。
S1-F4的抗肿瘤效果依赖于巨噬细胞、树突状细胞和CD8+T细胞
上文提到，S1-F4在人源化CD98小鼠黑色素瘤模型中效果并不明显，有别于它在C57BL/6小鼠黑色素瘤模型（仅肿瘤表达人CD98）的结果。由于这两种小鼠的区别主要在于人源CD98的表达范围，因此，研究人员猜测，正常人体组织中的CD98可能会影响S1-F4的药代动力学（PK），影响S1-F4的抗肿瘤效果。PK实验结果显示，相较于C57BL/6小鼠（半衰期341.5小时），S1-F4在人源化CD98小鼠中的确衰减更快（半衰期29.5小时）。
为了克服S1-F4和正常组织中的CD98结合带来的潜在问题，研究人员从肿瘤独特的酸性微环境出发，计划将S1-F4改造为在正常组织pH条件下（pH 7.2-7.5）与CD98结和力低、在肿瘤弱酸性pH条件下（pH 6.5-6.9）结合力高的pH依赖性抗体。
为此，研究人员解析了S1-F4与CD98胞外结构域结合状态下的晶体结构，发现了可能增加抗体pH依赖性结合能力的关键氨基酸Y97。通过将S1-F4上该酪氨酸突变为谷氨酸（Y97E），以及进一步对S1-F4的HCDR3、LCDR1、HCDR2域进行突变，研究人员得到了pH依赖性的抗CD98抗体H15L54。体外衰减实验显示：H15L54半衰期比S1-F4更长。
H15L54具有比S1-F4更好的pH依赖性和药代动力学性质
反映到小鼠肿瘤模型中，与S1-F4相比，H15L54在血清中的药代动力学性质显著改善，且在小鼠体内的分布更集中于肿瘤组织，潜在靶向副作用明显改善。在低剂量条件下（5 mg/kg），S1-F4的抗肿瘤效果减弱，而H15L54仍有较强的抗肿瘤效果。
H15L54具有更好的肿瘤选择性和抗肿瘤效果
总的来说，隋建华团队开发出了一种具有广谱抗肿瘤活性的抗CD98抗体S1-F4，并解析了其作用机制。通过基于晶体结构的合理设计，该团队进一步研发出了具有pH依赖性的H15L54，有效增加了抗CD98抗体的肿瘤特异性，改善了抗体衰减问题和潜在毒性，为将来抗CD98抗体的临床运用打下了基础。
参考文献：
[1] Scott, Andrew M., Jedd D. Wolchok, and Lloyd J. Old. "Antibody therapy of cancer." Nature reviews cancer 12.4 (2012): 278-287.
[2] Cantor, Joseph M., and Mark H. Ginsberg. "CD98 at the crossroads of adaptive immunity and cancer." Journal of cell science 125.6 (2012): 1373-1382.
[3] Hayes, Gregory M., et al. "Antitumor activity of an anti‐CD 98 antibody." International journal of cancer 137.3 (2015): 710-720.
[4] Tian, Xinxin, et al. "An anti-CD98 antibody displaying pH-dependent Fc-mediated tumour-specific activity against multiple cancers in CD98-humanized mice." Nature Biomedical Engineering (2022): 1-16.
