融合蛋白成功的基石：融合蛋白技术

2023-01-23

免疫疗法基因疗法

目前已形成市场规模的一些治疗性蛋白是基于融合蛋白技术产生的。融合蛋白是指利用基因工程等技术将某种具有生物学活性的功能蛋白分子与其他蛋白（融合伴侣）融合而产生的新型蛋白。由于许多功能蛋白通常在血清中表现出很短的半衰期，而为了有效地利用这些功能白，必须反复给药，这大大限制了它们的治疗应用。通过融合伴侣的引入可以增强功能蛋白的活性和更长时间的耐受性，包括清除时间延长，引起局部刺激的能力减弱，半衰期增加，对降解的抵抗力增强，这无疑大大拓宽了功能蛋白的应用。目前人们目前已经开发了多种融合蛋白技术，例如免疫球蛋白融合技术、人血清白蛋白（HSA）融合技术（图1）。这些技术在融合蛋白药物的成功之路上发挥了举足轻重的基石作用。本文就一些经典的融合蛋白技术做一个简要介绍。

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来源: 生物制药小编

免疫球蛋白融合技术

使用基因工程技术，可以使用抗体的结构域来创造融合蛋白，从而进一步促进功能。所使用的抗体结构域可以是恒定区，也可以是可变片段。

Fc 融合

目前最常用的融合伴侣为免疫球蛋白IgG的Fc段，抗体Fc是抗体恒定区的一部分，包括铰链区-CH2-CH3（图2）。与可变区相比，使用恒定区作为融合蛋白的伴侣有助于融合蛋白的大小调节和药代动力学特性。此外，使用Fc区域融合可以使下游处理过程更容易，因为其可以使用治疗性抗体的技术来产生和纯化Fc融合蛋白。

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与Fc段融合后通过增加分子量、FcRn介导的再循环机制可增加融合分子的稳定性、延长体内半衰期，同时也可利用Fc段介导ADCC、CDC等各种生物学功能。

目前，全球已经上市了20个左右的Fc融合蛋白药物，明星产品依那西普、阿柏西普、康柏西普、度拉鲁肽均属于Fc融合蛋白。

可变片段(Fv)融合

利用免疫球蛋白可变区的融合蛋白工程策略，也已经进行了广泛的应用。使用可变区而不是恒定区不仅可以减小融合蛋白的大小，而且还限制了免疫球蛋白的可编程性仅限于靶向。它们可以产生最小的融合蛋白，可以轻松、快速地穿过组织或肿瘤。

然而，在没有加入恒定区的情况下，Fv融合的应用存在一定的稳定性问题。抗体的抗原结合片段本身作为异源二聚体是足够稳定的，但由重链和轻链可变区组成的二聚体不稳定，重链可变区(VH)和轻链可变区(VL)之间的界面相互作用较弱。

为了克服这一不稳定的杂二聚体的障碍，人们已经采用了成功的方法，聚焦于将多肽连接物子与VH和VL共价偶联。所使用的多肽连接物必须是柔性的，通常由丝氨酸和甘氨酸组成，约为15到20个氨基酸，并产生了由单链组成的Fv分子。与自然存在的VH-VL杂二聚体相比，这些生成的分子表现出更高的稳定性。

另外还采用了一些额外的策略来进一步提高Fv片段的稳定性及其治疗用途。例如，有些单链抗体融合后可能有机会解离，并最终可能导致聚集。这可以通过掺入VH和VL之间的共价二硫键或通过引入突变来克服。

TNF-α、细胞因子融合蛋白和HLA多肽复合体的融合蛋白都是可以利用抗体的可变区进行生物工程的融合蛋白的例子。

抗体-酶融合蛋白

随着生物分子科学的发展，由酶和抗体组成的融合蛋白越来越多地被创造出来。例如，抗体-酶融合分子可以通过 “抗体靶向酶前药融合蛋白疗法” 靶向到肿瘤部位。这种方法的关键是抗体使有毒的酶被癌细胞内化，激活细胞死亡的途径。

到目前为止，抗体-酶融合蛋白在各种临床前研究和人体研究中显示出作为药物的前景。此外，与标准化疗相比，抗体-酶融合蛋白的毒性相对最小。

基于HSA的重组融合蛋白

HSA是人血浆中含量最高的蛋白质，占血浆总蛋白的40%- 60%，半衰期长达20天。使用HSA作为融合伙伴提供了一种灵活的方法来产生半衰期较长的治疗性蛋白质。该技术不仅延长了半衰期，而且使蛋白质更加稳定，并降低了免疫原性。效应蛋白可以通过其氨基末端或羧基末端与HSA融合。通过在末端融合HSA，效应蛋白的功能的几乎不会受到影响。

HSA融合药物的概念最早是由Human Genome Sciences公司提出的。基于HSA的融合技术受到了研究人员的极大关注，应用比较广的是抗体与HSA融合、细胞因子与HSA的融合、多肽与HSA的融合等(图3)。

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目前，HSA融合技术领先的公司主要是GSK、Teva、Cogenesis和CSL这四家药企。GSK开发的GLP-1-HSA产品Tanzeum已经在欧美上市，给药频率为每周1次。通过将人源GLP-1的第8位丙氨酸替换为甘氨酸，从而增加了降解的拮抗性，再将两条经过修饰后的肽链以二聚体形式与HSA融合，半衰期延长至6-8天。

CSL开发的FVIII-HSA产品Idelvion于2016年1月获批上市, 用于儿童及成年血友病B患者。其在体内半衰期可长达14天，用药频率为每1-2周一次，大幅延长凝血因子IX治疗制剂的半衰期（18-24h）。

XTEN融合技术

XTEN属于蛋白质聚合物的一类，没有重复结构。这是由Amunix开发的一类非结构化的可生物降解的蛋白质聚合物，旨在增加治疗性肽和蛋白质的半衰期。

XTEN聚合物被认为是由六种亲水，化学稳定的氨基酸A，E，G，P，S和T组成的非免疫原性多肽。它们可以通过使用重组DNA技术以融合蛋白的形式生产，也可以通过将它们与所选药物化学偶联来进行工程制造(图4)。通过使用这种方法，可以特定地控制生物活性物质沿XTEN主干的价态和位置。它具有众多优点，如可以使用大肠杆菌进行表达，免疫原性较低，并且它是可生物降解的。

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XTEN融合蛋白技术最初由Amunix开发，目前被用于9个融合蛋白药物开发。其中生长激素XTEN融合蛋白处于III期临床研究阶段，半衰期延长到131h，明显高于天然生长激素。艾塞那肽融合XTEN后，猴子体内试验证实半衰期从30min提高到60h。

CTP融合蛋白技术CTP是人绒毛膜促性腺激素β亚基羧基末端肽，早期发现CTP是因为人们观察到绒毛膜促性腺激素和黄体化激素两者结构相似，但半衰期却差别很大，分别为2天和20分钟。绒毛膜促性腺激的不同之处在于，HCGb亚基(HCG-b)具有31个氨基酸残基CTP，该CTP由序列FQSSSS*KAPPPS*LPSPS*RLPGPS*DTPILPQ组成，具有四个O-糖基化位点(表示为S*)，以唾液酸残基结尾。它可以增加重组融合蛋白唾液酸含量，唾液酸能增加黏蛋白的黏度，遮蔽蛋白上的糖链,使其不被糖苷酶水解,保护蛋白质免受蛋白酶降解。同时可提高蛋白质糖基化程度，增加分子量，因此可以获得更长的药物体内半衰期。另外，CTP是人体自身的天然长效融合伴侣，所以免疫源性非常低。

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CTP技术最初由Prolor Biotech开发。CTP已经与几种激素、细胞因子融合在一起，试图延长它们的半衰期。FSH-CTP（Org 36286）是第一个进入临床实验的CTP融合蛋白，作为妇女不孕治疗的长效FSH治疗药物。研究表明，无论是皮下还是静脉给药，FSH-CTP半衰期都是重组FSH的两倍。FSH-CTP融合蛋白(Org 36286)已于2010年2月被EMA批准为一种名为Elonva的长效生育药物。

ELP (弹性蛋白样肽)融合蛋白技术

弹性蛋白样多肽(ELP)是一类从人原弹性蛋白中发现的基序中提取的一类工程重复蛋白。ELP中最常见的重复基序是(VPGxG)n。ELP的特征是它们的逆相变，在这种情况下，蛋白质经历温度诱导的二级结构变化，暴露出疏水表面积，导致ELP分子凝聚成微米级的聚集体。

借助基因工程可以人工合成ELP融合蛋白，精确调控ELP的结构与功能，并在其序列中添加反应性氨基酸或多肽(图6)。同时，ELP由天然氨基酸组成，其生物相容性好，易于生物降解，免疫原性低，无毒性作用。基于以上优势，ELP已被广泛应用于蛋白的表达纯化、体外诊断、药物递送和组织工程等生物医药领域。

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PhaseBio公司是开发ELP融合蛋白技术的引领者。其利用ELP技术扩展了蛋白质和肽的循环半衰期，并提供持续释放的机制，从而改善了药物的药代动力学。PhaseBio公司是开发ELP融合蛋白主要用于胰岛素和GLP-1长效化制剂的开发，目前产品处于II期临床研究阶段，给药频率为每周1次。

转铁蛋白融合蛋白

转铁蛋白是一种高度丰富的血清糖蛋白，存在于血清中，含量为3-4 mg/mL，它与铁紧密但可逆地结合，并具有将铁运送到组织的功能。转铁蛋白有679个氨基酸残基，大小约80 kDa，并具有两个高亲和力的Fe3+结合位点，一个在N-末端结构域，另一个在C-末端结构域。据报道，人转铁蛋白的半衰期为7-10天。转铁蛋白在人血清中的持久存在依赖于转铁蛋白受体介导的循环机制。

多肽和蛋白质可以融合到人转铁蛋白的N-末端和C-末端，以及连接转铁蛋白两个主要叶的中心铰链区。转铁蛋白的N端是游离的，可以直接融合。C末端更深，并受到附近二硫键的限制，因此当蛋白质融合到C末端时，通常使用灵活的连锁。

铁蛋白能通过脑内皮细胞的转胞吞作用穿过血脑屏障，而不被阻断在溶酶体中。因此，铁蛋白是优良的治疗脑部疾病的药物载体，并有潜力成为多种中枢神经疾病药物载体。近年来利用转铁蛋白在脑疾病患者的治疗效果也得到了初步证实。

小编小结融合蛋白具有更好的药代动力学特性。因此，这些药物可以比未融合的等价物用的剂量更少、更有效。目前为止，Fc融合和HSA融合技术应用最广泛，但近年来，XTEN融合、CTP融合、ELP融合和转铁蛋白等融合技术取得了长足的进步。基于这些技术的有些药物已经上市，另外大量的药物目前正在进行临床试验，其有望产生优异的效果，惠及全球疾病患者。

参考文献

Recent advancements in fusion protein technologies in oncotherapy: A review.

Novel Protein Therapeutics Created Using the Elastin-Like Polypeptide Platform.

Chimeric Fusion Proteins Used for Therapy: Indications, Mechanisms, and Safety.

Fusion Proteins for Half-Life Extension of Biologics as a Strategy to Make Biobetters.Strategies for Modulation of Pharmacokinetics of Recombinant Therapeutic Proteins长效蛋白药物市场全景扫描.

注：本文不具有任何医学观点和投资建议

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