从骆驼血清到全人抗体小鼠的生物医学革命 —— 解析最小功能性抗体的前世今生与应用突破

在生物医学领域，抗体药物一直是疾病诊断与治疗的 “精准导弹”。但你是否知道，有一种仅 15 kDa 的 “纳米级” 抗体，正以其颠覆性的结构和功能，掀起一场医学革命？

 

一、什么是纳米抗体？

1993年，比利时科学家在《Nature》杂志上首次报道纳米抗体，一种来源于骆驼科动物体内、天然缺失轻链的重链抗体可变区，分子质量只有15 kDa，纳米抗体（Nanobody，Nb）是一类分子量极小的抗原结合片段，属于单域抗体（Single Domain Antibody, sAb）的一种。

 

其核心结构仅包含单个重链可变区（Variable Domain of Heavy Chain, VHH），分子量约为 15 kDa，仅为传统 IgG 抗体（约 150 kDa）的 1/10，蛋白质晶体结构长度为4 nm，直径为2.5 nm，是人类目前为止发现的自然存在的最小的功能性抗原结合片段。因此得名 “纳米抗体”。

 

图1 传统抗体、重链抗体、纳米抗体的结构示意图

 

二、纳米抗体的来源

纳米抗体最早发现于骆驼科动物（如骆驼、羊驼）的血清中。与人类及多数哺乳动物不同，骆驼科动物的外周血中除了含有常规的四链抗体（IgG1、IgG2 等）外，还存在一类独特的重链抗体（Heavy Chain Antibody, HCAbs）。这类抗体仅由两条重链组成，缺乏轻链，其抗原结合位点即位于重链的可变区（VHH）。

1993 年，比利时科学家 Hamers-Casterman 团队首次从骆驼血清中分离出这种单域抗体，并证明其具有独立结合抗原的能力，开启了纳米抗体的研究序幕。

 

三、纳米抗体VHH的特殊结构

VHH（Variable Heavy-Chain Domain of Heavy-Chitooligosaccharide抗体） 是骆驼科动物（如羊驼、骆驼）体内特有的重链抗体（HCAb）的可变区，属于单域抗体（sdAb）的核心功能区域。纳米抗体的 VHH 结构与传统抗体的重链可变区（VH）具有相似的 β 折叠框架（由 7 个 β-strand 组成的 “三明治” 结构），但其结构与应用价值显著区别于传统抗体的Fab片段（含轻链和重链可变区），以下是其关键特性：

 

1. CDR3 区域独特

VHH的CDR3区较长，人和小鼠抗体VH的CDR3区平均长度为9-12个氨基酸，VHH的CDR3区为16-18个氨基酸，可形成一个特殊的loop环。该loop环可以与蛋白质空间构象上的裂隙和空腔结合，从而能识别空腔和隐蔽的凹形表位如酶活性位点和隐匿病毒表位，有助于预测新的潜在生物靶标及发现新的药理靶点，还可以用作酶的抑制剂、受体的激动剂或拮抗剂。延伸的CDR3区还使纳米抗体的对位表现出凸面对位，而与单克隆抗体的VH-VL结构域通常表现出的凹面或平面对位。这也是为什么说纳米抗体可以靶向传统抗体难以到达的靶点，例如PD-L1、CTLA-4的隐藏表位。

 

2. FR2 区域氨基酸突变

在常规单克隆抗体VH的FR2区，有四个氨基酸参与了与VL的相互作用，这四个氨基酸分别为V37、G44、L45、W47。而在纳米抗体VHH中，这四个氨基酸发生了突变，分别为F（Y）37、E44、R45、G47，这四个位点由疏水性氨基酸残基变化为亲水性氨基酸残基使VHH溶解性更好。还应注意的是，通常观察到FR1区中L11的氨基酸残基替换为S11，这种现象在单峰骆驼VHH序列中比在美洲驼VHH序列中更常见。

 

3. 稳定性更高

VHH 内部含有更多的二硫键或盐桥，增强了结构刚性；其表面亲水氨基酸比例更高，减少了聚集倾向，因此在极端 pH、高温等条件下仍能保持活性。

 

4. 工程化容易

人类VH3与骆驼VHH胚系基因具有高度的同源性，因此只需对VHH基因进行较少的改变即可实现抗体人源化，通过基因工程技术获得高亲和力、高特异性、高稳定性的纳米抗体。

 

5. VHH与传统抗体的核心差异

常规单克隆抗体的VH结构域通常与VL结构域结合，需要总共六个CDR才能表现出完全的抗原结合能力，而纳米抗体VHH仅有三个CDR表现出抗原结合能力。虽然因为VL结构域的缺失导致了较小的互补位，VHH可能结合的抗原范围有限，但是较长的互补决定区CDR1不仅增加了抗原结合位的大小，还可以形成VH结构域中没有的更广的环状结构。

 

 表1 VHH与传统抗体Fab片段结构与优势对比

 

特性	VHH	传统抗体Fab片段
分子量	~15 kDa	~50 kDa
结构复杂度	单域、无轻链	双链（VH+VL）
表位可达性	靶向隐藏表位（如酶活性中心），	受限于空间位阻，
	可渗透肿瘤微环境及血脑屏障	难以进入实体瘤深部
稳定性	耐高温、酸碱、蛋白酶	易变性（需低温保存）
生产成本	原核系统即可高效生产	依赖真核细胞表达
免疫原性	全人源 VHH，风险趋近于零	需人源化改造，
		存在 HAMA 风险

 

四、纳米抗体 VHH 的特殊功能

 

1. 高亲和力与特异性

延长的 CDR3 赋予 VHH 更强的抗原结合能力，部分纳米抗体的亲和力可达纳摩尔（nM）至皮摩尔（pM）级别，且能识别传统抗体难以结合的小表位（如小分子化合物、肽段）或隐藏表位（如膜蛋白的跨膜结构域）。

 

2. 组织穿透性优异

小分子量使其能够快速扩散至传统抗体难以到达的组织区域（如实体瘤内部、血脑屏障），适用于体内成像或局部治疗。

 

3. 易于改造与多功能化

VHH 可通过基因工程手段轻松融合荧光蛋白、酶、毒素等功能模块，或构建双特异性纳米抗体（如同时结合肿瘤抗原和免疫细胞表面分子），拓展其在诊断与治疗中的应用。

 

4. 生产成本低
仅需原核表达系统（如大肠杆菌）即可高效生产，无需真核细胞的复杂折叠与糖基化修饰，降低了工业化生产成本。

 

5. 免疫原性低

骆驼源 VHH 与人 VH 的序列同源性较高（约 75%），且不含轻链，因此在人体中引发免疫反应的风险低于传统鼠源单克隆抗体。

 

五、纳米抗体的应用领域

 

纳米抗体因其独特的结构和功能，已在医学、生物技术等领域展现出广泛应用潜力：

 

1. 医学诊断：用于开发高灵敏度的 ELISA 试剂盒、免疫组化试剂或即时检测（POCT）设备。
2. 肿瘤治疗：作为载体携带化疗药物、放射性核素或免疫激动剂，靶向杀伤肿瘤细胞（如靶向 CD47 的纳米抗体 - 药物偶联物）。
3. 自身免疫病：阻断致病细胞因子或受体（如靶向 IL-6R 的纳米抗体）。
4. 抗病毒研究：中和病毒表面抗原（如新冠病毒 S 蛋白的纳米抗体已进入临床试验）。
5. 工业与农业：用于生物传感器、食品安全检测或动物疫病防治。

 

VHH作为单域抗体的核心功能域，凭借其 小尺寸、高稳定性及强穿透性，在生物医药领域突破了传统抗体的局限，尤其在 靶向不可成药靶点（如GPCR、离子通道）和 复杂病理微环境干预 中展现出独特潜力。

 

六、纳米抗体的应用场景与HUGO-Nono全人纳米抗体小鼠的独特应用价值

 

1.  肿瘤治疗与精准靶向

• 肿瘤微环境穿透：纳米抗体（约15 kDa）体积仅为传统抗体的1/10，可通过增强渗透滞留效应（EPR）深入实体瘤组织，靶向传统抗体难以到达的靶点（如PD-L1、CTLA-4的隐藏表位）。

 

• 双特异性抗体构建：例如，通过HUGO-Nano全人纳米抗体小鼠筛选出的抗体片段，可与免疫细胞激活分子（如CD3）结合，构建双抗药物，用于激活T细胞杀伤肿瘤。目前全球已有多款基于纳米抗体的抗肿瘤药物进入临床，如靶向HER2的纳米抗体用于乳腺癌治疗。

 

2. 用于开发穿透血脑屏障的标志物或药物

• 血脑屏障穿透：由于纳米抗体的小尺寸允许通过受体介导转运穿过血脑屏障，靶向神经疾病标志物（如Tau蛋白、α-突触核蛋白），助力阿尔茨海默病早期诊断。想象一下，纳米抗体像一个‘分子穿梭机’，带着诊断标记物穿过紧密的血脑屏障，精准点亮阿尔茨海默病患者脑内的 Tau 蛋白沉积 —— 这正是 HUGO-Nano 小鼠在神经疾病领域的突破性应用。

 

3.  传染病诊断与中和治疗

• 快速检测试剂开发：纳米抗体可识别病毒表面抗原（如新冠病毒S蛋白），用于胶体金试纸条、ELISA等快速检测技术，灵敏度达pg/mL级。

 

• 广谱抗病毒治疗：针对高变异病毒（如HIV、流感病毒），纳米抗体可靶向保守表位，例如已报道的针对新冠病毒的纳米抗体可中和Omicron变异株。

 

• 案例：阿尔法霉素（Alpaca-derived VHH）被用于开发口服抗病毒药物，无需冷链运输。

 

4. 自身免疫病与炎症调控

• 靶向细胞因子风暴：纳米抗体可中和IL-6、TNF-α等促炎因子，半衰期可通过Fc融合延长，用于类风湿性关节炎、COVID-19重症患者的细胞因子释放综合征（CRS）。

 

• 局部给药优势：通过雾化吸入或关节腔注射，直接作用于肺部或滑膜组织，减少全身副作用。

 

5. 医学影像与靶向示踪

• 分子影像探针：纳米抗体可标记放射性同位素（如⁶⁸Ga、¹⁸F），用于PET/CT成像，精准定位微小转移灶（灵敏度比传统抗体高10倍以上）。

 

HUGO-Nano全人纳米抗体小鼠的独特应用价值

 

全人纳米抗体小鼠（Fully Human Heavy Chain Antibody Mice）是一种经过基因改造的小鼠模型，用于产生完全人源化的仅重链抗体。它的特点在于抗体由单一的重链组成，无需轻链辅助即可与抗原结合，类似于骆驼科动物的单域抗体。全人纳米抗体小鼠结合了全人源抗体的临床优势和仅重链抗体的结构特点，具有高稳定性、小分子量和工程化潜力，适合用于复杂疾病靶点的开发。这种技术推动了抗体药物在新靶点开发、双特异性抗体设计及诊断工具开发中的广泛应用。

 

赛业生物开发的HUGO-Nano全人纳米抗体小鼠将小鼠（i）Heavy chain恒定区修饰为表达缺失CH1区域的IgG1基因，（ii）Kappa light chain缺失，（iii）Lambda light chain缺失。HUGO-Nano小鼠中含有所有的人源抗体可变区序列，可变区序列与重链结合时跳过恒定区CH1，形成缺失CH1结构的重链抗体，且该小鼠缺失轻链结构，用于产生单重链抗体。其优点如下：

 

1. 免疫原性风险趋近于零

传统鼠源抗体人源化需经历CDR移植和亲和力重塑，而全人纳米抗体小鼠（如HUGO-Nano全人纳米抗体小鼠）直接产生人源VHH，避免HAMA（人抗鼠抗体）反应。

 

2. 开发周期与成本优势

传统单抗开发需6-12个月，而通过这类小鼠的B细胞直接筛选，可在2-3周内获得高亲和力候选分子，且无需体外展示库构建（如噬菌体库）。

 

3. 结构可塑性拓展应用边界

• 多价态设计：可串联3-5个纳米抗体形成多聚体，将亲和力提升至fM级别（如抗HIV的三价纳米抗体）。
• 模块化改造：C末端可灵活连接毒素（如MMAE）、细胞因子（如IL-2）或PROTAC分子，构建靶向降解复合物。

 

4. 突破传统抗体的物理限制

• 耐极端环境：在pH 2-11或70℃高温下保持活性，适合口服制剂开发（如抗肠道病原体的纳米抗体胶囊）。
• 细胞内靶向：通过电穿孔或纳米载体递送，可结合胞内蛋白（如RAS突变体），填补传统抗体无法触及的靶点空白。

 

结束语

从骆驼血清中的 “小众发现” 到全人纳米抗体小鼠的 “量产革命”，纳米抗体的发展历程印证了生物医学的奇妙逻辑 —— 自然界的独特进化路径，往往藏着破解人类疾病的钥匙。

如今，HUGO-Nano 等全人纳米抗体小鼠正推动抗体药物进入 “微型化”、“精准化” 时代：它们既能化身 “肿瘤狙击手”，带着化疗药物深入实体瘤核心；也可成为 “侦察兵”，穿越血脑屏障捕捉早期病变信号；更能在传染病战场上当仁不让，以 pg 级灵敏度锁定病毒抗原。

这场由纳米级分子引发的医学变革，或许才刚刚开始。随着基因编辑技术与抗体工程的深度融合，我们有理由期待，这些 “纳米级战士” 将在更多 “不可成药” 的靶点领域撕开突破口，为人类健康编织更细密的保护网。

 

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