人IGHG基因改造在纳米抗体药物研发中的应用：Fc骨架选择、定点突变与临床前验证

目录

• 导语：Fc骨架决定纳米抗体能否从“可结合”走向“可开发”
• 一、为什么纳米抗体药物开发需要IGHG基因改造
• 二、纳米抗体IGHG基因改造的主流技术
• 三、研究发展阶段与产业化案例
• 四、赛业生物相关研发支持
• 五、未来演化趋势与技术挑战
• 参考文献
• FAQ

导语：Fc骨架决定纳米抗体能否从“可结合”走向“可开发”

纳米抗体（VHH）凭借分子量小、组织穿透性强、理化稳定性优异等优势，已成为下一代大分子药物研发核心方向。天然单域纳米抗体仅具备抗原结合功能，体内药代动力学缺陷显著，无法直接满足临床用药需求；人免疫球蛋白重链恒定区基因IGHG1、IGHG2、IGHG3、IGHG4编码 IgG 四种亚型 Fc 结构域，决定抗体半衰期、免疫效应活性、分子稳定性等关键药学属性。通过基因工程手段改造 IGHG 家族序列，将改造后的 Fc 骨架与 VHH 融合，可按需赋予纳米抗体长效循环、可控免疫杀伤、低免疫原性等药学特征。本文系统阐述纳米抗体药物开发中改造 IGHG 基因的必要性、主流改造技术手段、国内外研究进展与产业化落地案例，并展望该领域未来演化方向。

图1. IGHG亚型选择及铰链区、CH2、CH3改造对纳米抗体药代、效应功能和稳定性的影响。

一、纳米抗体药物开发中改造IGHG基因的必要性

IGHG1~IGHG4 定位于人 14 号染色体 IGH 基因簇，经 B 细胞类别转换重组（CSR）选择性表达，分别编码人 IgG1、IgG2、IgG3、IgG4 重链恒定区，四类亚型铰链区、CH2/CH3 结构域序列差异决定生物学功能分化。天然游离 VHH 纳米抗体分子量仅 15 kDa，无 Fc 结构域，存在四大先天短板，须依托 IGHG 基因编码的 Fc 片段改造补齐缺陷：

1.1 解决体内半衰期极短问题

Fc 段 CH2-CH3 界面可 pH 依赖性结合新生儿 Fc 受体（FcRn）：血管内皮细胞胞吞抗体后，酸性内体环境下 Fc 与 FcRn 紧密结合，规避溶酶体降解并转运回血液，中性环境下解离释放，循环往复将 IgG 血清半衰期维持在 21 d 左右。游离 VHH 无法结合 FcRn，数小时内即被肾脏滤过清除，给药频次极高、临床依从性极差；融合 IGHG 编码 Fc 片段后可实现长效循环，通过定点突变调控 FcRn 亲和力还能进一步拉长或缩短半衰期。 四种 IGHG 亚型 FcRn 结合能力排序：IGHG1≈IGHG4＞IGHG2＞IGHG3，IgG3 因铰链区过长、结构不稳定，半衰期仅 7~8 d，极少用于药物骨架构建。

1.2 按需开关Fc介导的免疫效应功能

不同 IGHG 亚型编码的 Fc 结合 Fcγ 受体、补体 C1q 能力差异巨大，可适配肿瘤、自身免疫病、抗感染等完全相反的治疗场景：

1.3 优化分子结构、亲和力与理化稳定性

天然 VHH 为单价分子，抗原交联能力有限；删除 IGHG 基因 CH1 外显子后，VHH-铰链- Fc 可自发同源二聚化形成二价重链抗体，抗原结合亲和力提升 5~20 倍；同时改造 IGHG 铰链区长度、二硫键排布，可调控两个 VHH 空间间距，适配不同抗原表位构象，降低蛋白聚集倾向，提升制剂稳定性。

1.4 降低免疫原性，保障输注安全

原始骆驼源 VHH 恒定区具备异种蛋白属性，易诱导机体产生抗药抗体（ADA）；采用全人源 IGHG 序列构建 Fc 骨架，可最大程度规避外源蛋白免疫排斥，满足生物制品临床申报质控标准。

二、纳米抗体改造IGHG基因的主流技术方法

依据操作场景可划分为体外质粒重组改造（工业化主流）与动物内源 IGH 基因座编辑（源头创新）两大类，核心改造靶点覆盖铰链区、CH2 效应区、CH3 FcRn 结合区三大区域：

2.1 体外分子克隆与定点突变改造

整体逻辑：将 VHH 编码序列与截短 / 突变后的人 IGHG CDS 序列串联融合表达，统一删除 CH1 外显子（保留 CH1 会结合轻链，无法形成纯重链抗体）。

IGHG亚型整体骨架互换

直接替换表达载体中全长恒定区序列，快速切换效应表型：

抗肿瘤管线：固定选用IGHG1全长骨架，保留全套细胞杀伤功能；

自免、慢性炎症管线：替换为IGHG4骨架；

多糖疫苗研发：选用IGHG2； 该方法无需复杂位点突变，是早期 Fc 融合纳米抗体标准化构建方案。

IGHG铰链区序列改造

铰链区是四类 IgG 序列差异最大区域，改造方向分为 4 类：

IgG4 S228P 定点突变（临床标配）：IGHG4 基因 228 位丝氨酸突变为脯氨酸，彻底阻断 IgG4 特有的 Fab 臂交换现象，避免体内分子不对称化导致药效衰减，恩沃利单抗等上市药物均采用该突变；

铰链截短 / 延长：缩短铰链提升分子紧凑度，利于实体瘤深部穿透；延长铰链增加柔性，适配间距较远的抗原双表位；

二硫键重排：优化链间二硫键排布，降低蛋白聚集；

蛋白酶酶切位点敲除：消除铰链区蛋白酶切割序列，提升体内抗降解能力，多用于改良 IgG3 不稳定性缺陷。

CH2结构域：效应功能精准开关

CH2 区是 Fcγ 受体、C1q 结合核心区域，通过组合突变实现 “静音 Fc” 或 “增强杀伤 Fc” 双向调控：

静音 Fc 改造（去除 ADCC/CDC） L234A/L235A（LALA）组合突变：破坏 Fc 与激活型 FcγR 结合位点；叠加 K322A 突变敲除 C1q 结合口袋，完全消除补体激活，将 IgG1 改造为兼具长半衰期与低炎症的中性骨架，广泛用于眼科、中枢神经系统给药纳米抗体；

增强 ADCC/CDC 改造（抗肿瘤专用） S239D/I332E/A330L 三重突变：提升 Fc 与 NK 细胞 FcγRIIIa 亲和力，ADCC 活性提升 3~10 倍；E345R 突变强化补体招募，大幅提升 CDC 效应，用于实体瘤靶向清除药物开发；

N297 位点糖基化敲除 N297A/Q 突变去除 CH2 唯一 N - 糖基化位点，消除糖型异质性，蛋白均一性显著提升，简化工业化纯化质控流程，同时完全丧失 Fc 效应功能。

CH3结构域：半衰期精准调控

CH2-CH3 交界区为 FcRn 结合口袋，通过氨基酸突变双向改变 pH 依赖性结合能力：

YTE 长效突变（M252Y/S254T/T256E）：酸性内体环境下 FcRn 亲和力提升 8~11 倍，IgG 半衰期由 21 d 延长至 35~45 d，长效抗病毒、广谱中和纳米抗体主流改造方案；

反向失活突变：减弱 FcRn 结合，加速肝肾清除，适配体内放射性影像探针、短期毒素中和药物。

2.2 转基因动物内源IGH基因座编辑

不再局限体外质粒拼接，直接编辑小鼠内源 IGH 基因簇，构建可自主分泌全人源重链抗体的基因编辑动物模型，免疫后直接产出 VHH-人 Fc 纳米抗体，无需后续体外融合改造：

驼化纳米抗体小鼠：敲除小鼠内源 IgH 位点 CH1 外显子，插入驼类 VHH 基因文库，小鼠 B 细胞经 CSR 可自主切换内源 IGHG1/IGHG4 亚型，一步生成带人 Fc 的重链抗体，大幅缩短筛选周期；

全人源 IGH 位点敲入小鼠：将完整人类 IGH 基因簇（含全部 4 种 IGHG 亚型）定点敲入小鼠基因组，删除 CH1 结构域，免疫获得的纳米抗体 Fc 区 100% 人源化，ADA 风险降至最低，适配全球新药临床申报标准；

可诱导重组 B 细胞平台：在恒定区引入诱导重组元件，抗原刺激下可动态切换 IGHG 亚型、自动引入 LALA/YTE 突变，单株 B 细胞可产生多种功能 Fc 版本纳米抗体，颠覆传统单克隆筛选模式。

2.3 AI辅助全局序列优化

依托 AlphaFold3 分子结构预测、分子动力学模拟，对 IGHG 全长序列进行组合突变设计，同步平衡半衰期、热稳定性、表达产量、聚集倾向多项参数；可构建肿瘤微环境 pH 响应型 Fc、嵌合杂合 Fc（IGHG1 CH2+IGHG4 CH3）等新型模块化骨架，兼顾多重药学优势。

三、研究发展阶段与产业化落地案例

3.1 三个技术演进阶段

第一阶段：朴素融合搭建期（2010 年之前）

仅完成 VHH 与野生型 IGHG1/IGHG4 全长序列拼接，删除 CH1 外显子，无精细化位点突变；局限为 IgG4 易发生 Fab 臂交换、效应强度不可控、蛋白稳定性差，仅停留在基础实验室研究阶段。

第二阶段：定点突变标准化成熟期（2010—2020 年，行业主流范式确立）

铰链区 S228P、LALA、YTE 等经典突变体系逐一验证并普及；明确应用划分：IGHG1 主打抗肿瘤杀伤、突变型 IGHG4 主打抗炎阻断；VHH-Fc 融合纳米抗体开始进入临床管线，工艺与常规单抗生产体系打通，具备工业化基础。

第三阶段：多技术交叉创新期（2020 年至今）

转基因人源 IGH 小鼠、AI 蛋白设计、杂合 Fc 骨架、条件可控型 Fc 成为研发热点；长效抗感染、中枢递送、双特异性纳米抗体大量进入临床 II/III 期，同时动物疫病、体外诊断领域同步实现产业化落地。

3.2 产业化落地案例

（1）恩沃利单抗（KN035，康宁杰瑞，中国首个上市 Fc 融合纳米抗体）

全球首款获批皮下注射的 PD-L1 纳米抗体药物，2021 年 NMPA 获批上市，用于 MSI-H/dMMR 晚期实体瘤治疗。 IGHG 改造方案：VHH 融合经S228P 突变的人 IGHG4 全长 Fc 骨架；改造逻辑：①IgG4 静音 Fc 无 ADCC/CDC 效应，仅阻断 PD-1/PD-L1 通路，避免过度免疫激活损伤正常组织；②S228P 突变彻底消除 Fab 臂交换，保证体内药效稳定；③Fc 结合 FcRn 赋予 21 d 半衰期，支持每 2~3 周皮下注射一次，无需静脉输液，大幅提升高龄、体弱患者用药依从性。 拓展管线：歌礼制药将其开发用于慢性乙肝功能性治愈（ASC22），IIb 期临床证实可剂量依赖性降低乙肝表面抗原，是 IGHG4 改造纳米抗体慢病治疗典范案例。

（2）YTE 长效改造广谱抗病毒纳米抗体

针对新冠奥密克戎变异株开发的长效中和纳米抗体，采用IGHG1-YTE 三重突变 Fc 骨架，半衰期延长至 42~48 d，单次给药可实现 2 个月长效预防感染；小鼠攻毒实验证实可 100% 抵御变异株侵袭，目前处于临床 I 期，为流感、狂犬等烈性传染病长效被动免疫提供改造范式。

（3）抗肿瘤 ADCC 增强型 VHH-Fc 管线

靶向 Claudin 18.2、B7-H3 实体瘤纳米抗体，基于 IGHG1 骨架引入 S239D/I332E/A330L 突变强化 ADCC 效应，依靠 Fc 介导免疫细胞杀伤肿瘤细胞，多款候选药物进入临床 II 期，疗效优于常规单抗；双表位四价 HER2 纳米抗体采用二聚化 IgG1 Fc 骨架，成功逆转曲妥珠单抗耐药，临床前数据优异。

（4）动物疫病领域落地：猫细小病毒 Fc 融合纳米抗体（Nb35-Fc）

将抗猫细小病毒 VHH 与人 IGHG1 Fc 融合，依托 Fc 介导 ADCC 清除被感染细胞，猫攻毒模型实现 100% 存活率，已完成兽药申报前期研究，是 IGHG 改造纳米抗体在畜牧防疫领域的典型应用。

四、赛业生物相关研发支持：从纳米抗体发现到Fc工程体内验证

针对纳米抗体和Fc工程项目，赛业生物可将HUGO-Nano全人源纳米抗体平台、HUGO-Ab全人源抗体发现平台与抗体药物研发相关服务衔接，用于候选分子发现、构型设计和成药性验证。

当研发重点涉及FcRn结合、半衰期延长或组织分布时，可结合FcRn相关人源化小鼠开展体内PK、暴露和药效研究。对于肿瘤项目，还可在免疫缺陷背景下同步开展异种移植与Fc工程分子的药代评价。

图2. 纳米抗体药物从候选分子发现、Fc工程设计到人源化模型验证的研发闭环。

五、IGHG基因改造纳米抗体的未来演化趋势

4.1 模块化可编程 Fc 骨架成为主流

打破单一 IGHG 亚型限制，构建嵌合杂合 Fc、迷你截短 Fc 骨架：将 IGHG1 与 IGHG4 结构域拼接，同时具备强组织穿透、低炎症副作用优势；开发肿瘤微环境酸性响应型 Fc，病灶处开启杀伤功能，正常组织保持静音状态，大幅降低脱靶毒性；设计可拆分可逆 Fc，按需调控体内留存时间。

4.2 全人源内源 IGH 编辑动物平台逐步替代体外质粒构建

赛业生物等国内企业持续迭代全人 IGH 基因簇敲入小鼠，抗体库多样性、人源化程度不断提升；未来新药源头筛选将直接依托基因编辑动物获得成熟 VHH-Fc 分子，体外改造工作量缩减 70% 以上，大幅缩短新药研发周期。

4.3 多特异性纳米抗体依托改造 Fc 实现标准化组装

基于二聚化 Fc 骨架搭建双特异、三特异免疫衔接纳米抗体，Fc 区同时承担二聚组装、长效循环、免疫招募多重功能；AI 批量优化 IGHG 突变组合，平衡多价分子亲和力、稳定性与体内药效，适配实体瘤免疫联合治疗需求。

4.4 黏膜递送、血脑屏障穿透 Fc 改造突破递送瓶颈

优化 Fc 与黏膜上皮、血脑屏障内皮细胞 FcRn 结合模式，改造 IGHG 序列实现口服、鼻腔给药、颅内递送；中枢神经、眼科自身免疫病纳米抗体将摆脱静脉给药限制，开拓全新适应症赛道。

4.5 现存挑战与优化方向

现阶段瓶颈：IGHG3 固有结构缺陷无法用于临床；多位点叠加突变易提升蛋白聚集倾向等。未来将依托计算蛋白设计优化突变组合、改造铰链柔性结构提升稳定性；同时结合体内基因递送技术，将 VHH-改造 IGHG 表达盒导入人体细胞，实现慢病一次性给药长效表达，革新抗体药物给药模式。

IGHG1~4 基因编码的 Fc 结构域是纳米抗体药物化的核心功能工具箱，从最初的简单序列拼接，现已发展为亚型切换、定点精准突变、动物内源基因编辑、AI 全局优化一体化的成熟技术体系。IGHG1 强效应骨架支撑抗肿瘤、抗感染药物开发，突变型 IGHG4 静音骨架主导自身免疫病、免疫检查点阻断治疗，多款药物已实现商业化落地。随着蛋白工程、基因编辑与人工智能技术深度融合，可编程 Fc 骨架、靶向递送、体内长效表达将成为下一阶段核心研发方向，改造 IGHG 基因的纳米抗体疗法将持续拓展大分子药物治疗边界。

参考文献

[1] Leusen J H, et al. Insights into the IgG heavy chain engineering patent landscape as applied to IgG4 antibody development [J]. mAbs, 2019, 11 (1): 1509-1524.（IGHG4 S228P 突变机制）

[2] Wang L, et al. Structural basis of a novel PD-L1 nanobody for immune checkpoint blockade [J]. Cell Discovery, 2017, 3: 17004.（KN035 结构与 IGHG4 改造）

[3] Dal Monte P, et al. Long-Circulating Nanobody Confers Durable Prophylaxis against SARS-CoV-2 Omicron Infection [J]. Advanced Nanobiology, 2025, 4 (2): 2400214.（YTE 长效突变 FcRn 调控）

[4] Huang Q, et al. Enhancing the Protein Stability of an Anticancer VHH-Fc Heavy Chain Antibody through Computational Modeling and Variant Design [J]. Advanced Science, 2025, 12 (18): 2500004.（AI 优化 VHH-Fc 稳定性）

[5] Vidarsson G, et al. Effect of posttranslational modifications and subclass on IgG activity: from immunity to immunotherapy [J]. Nature Reviews Immunology, 2023, 23 (11): 705-722.（四种 IGHG 亚型生理功能差异）

[6] Grevys A, et al. Fc engineering strategies for therapeutic antibodies [J]. Frontiers in Immunology, 2023, 14: 1304365.（Fc 效应功能突变综述）

[7] Muyldermans S. Nanobody-based heavy chain antibodies and chimeric antibodies [J]. Immunological Reviews, 2024, 316 (1): e116599.

[8] 抗体 Fc 工程化改造策略概览 [J]. 中国生物工程杂志，2026, 46 (1): 78-86.

[9] Wang Y, et al. Anti-HIV-1 Nanobody-IgG1 Constructs With Improved Neutralization Potency and Fc Effector Functions [J]. Frontiers in Immunology, 2022, 13: 893648.（IgG1 ADCC 增强改造抗感染应用）

[10] Roopenian D C, Akilesh S. FcRn: the neonatal Fc receptor comes of age [J]. Nature Reviews Immunology, 2007, 7 (9): 715-725.（FcRn 循环回收经典机制）

常见问题（FAQ）