首创10万级高通量抗体芯片

中国科学家首创10万级高通量抗体芯片-成功发现肿瘤新靶点

抗体芯片对于从事生命科学研究科研工作者并不陌生,但是现有的抗体芯片技术一般是使用几百到数千个已知靶点的单抗(相当一部分单抗是商业购买),通过蛋白芯片点制技术点在一张玻璃片上,用于高通量的蛋白质组学研究。这种技术的一个重要局限是根据已知靶点开发的单克隆抗体数目有限并且成本高昂,芯片上的抗体点阵数量(几千个)只能达到人类蛋白质组(~10万级别)的一小部分,并且这种抗体芯片只能用于已知的靶蛋白检测,不能用于寻找和发现与某个特定生物学功能相关的未知靶蛋白,实际的应用价值受到限制

最近,来自艾比玛特医药科技(上海)有限公司(“艾比玛特”)的王朝晖博士团队在大规模工业化制备单克隆抗体方面取得一系列突破,开发出了由超过6万个单克隆抗体组成的大规模抗体芯片(PETAL芯片),并与上海交通大学陶生策团队以及其他国内外多个课题组展开合作,初步验证了PETAL芯片在抗肿瘤新药研发、动物植物科学研究等方面的诸多应用潜力,其成果发表在2020年3月的Science Advance杂志上,题目为“An Array of60,000 Antibodies for Proteome-Scale Antibody Generation and Target Discovery”

PETAL芯片的技术特点——迄今为止通量最高的差异化蛋白质组学研究工具

PETAL的全称是“蛋白质组抗原表位标签抗体库”(Proteome Epitope Tag Antibody Library)。运用生物信息学技术,对包括人、动物、植物、微生物在内的418种生物的3694种蛋白质序列进行分析,设计了并合成了1.6万个抗原表位标签多肽,以这个多肽标签库作为抗原,免疫了超过3万只小鼠,制作了6.2万株单克隆抗体杂交瘤细胞株,也就是拥有了6.2万株单克隆抗体。

对于这些单克隆抗体的采样分析表明,这些单抗的抗原决定簇(CDR)序列多样性极高,大约90%的CDR序列与抗体库中的其他抗体CDR差别不低于2个氨基酸。

然后,这些单抗被点在玻璃片上,成为密度极高的单克隆抗体芯片,这是目前全球技术领先的具有超大容量的差异化蛋白质组学研究工具。。

6371970864362441668360559.png


PETAL芯片对抗原表位的覆盖能力理论上可以超过百万个自然界已知存在的蛋白

PETAL芯片强大的抗原表位覆盖能力一方面来源于其多达6万+的高差异化单抗数量,另一方面来源于一种称做抗体多特异性的现象(antibody multispecificity,参见Cell 1997, 91/6:799-809),也就是说,一个单克隆抗体可以结合不止一种在生物界(包括人类)中存在的蛋白质,其内在的机制主要是抗原与抗体的结合区具有特定的序列特征,因为这个特征结合序列的氨基酸数量有限,其组合可在自然界中已知的极其多样性的蛋白中多次出现,一般来说具有相同特征的已知蛋白质数量可以达到数百个;其次抗体蛋白的表面多样性可以进一步提高识别的多样性。简单的类比,我们知道人体内日常存在的抗体种类大约在几十万种级别,但需要应对的是外界近乎无限的抗原可能性,其本质的依据之一即是抗体的多特异性。

从理论上推测,6.2万株单抗组成的芯片可能结合超过百万种蛋白质,并且这些蛋白质可以来自不同的种属,也就是说PETAL芯片可以同时用于人类、动植物、微生物的研究。

必须指出的是,只有在抗体芯片的规模达到PETAL这样的数量级甚至更高的时候其靶标发现的成功概率才能达到有实际应用价值的程度,传统上规模只有数千个单抗的芯片在寻找和发现新靶标时的成功率太低而实际应用价值有限。

PETAL芯片的应用案例——用斑马鱼心脏再生模型寻找治疗心脏损伤的新机制

应用PETAL芯片分析斑马鱼在正常情况下和心脏损伤后7天的心脏蛋白质组,找到了6个在损伤心脏修复过程中差异化表达的蛋白,其中包括已知的aldh2.2蛋白,这可以理解为一种阳性对照,验证了PETAL芯片的有效性。

6371970868037582787187891.png

PETAL芯片应用案例——新型抗体偶联药物(ADC)候选分子的发现

应用PETAL芯片分析肿瘤组织(肺癌)和正常组织的蛋白质组,发现了多个在肿瘤组织中高表达的膜蛋白靶标,文章报道了其中一个抗体Pb44707可高亲和力识别人CD44v9肿瘤标志物。在随后的靶标验证中发现CD44v9在60%的肺癌患者中过度表达,在约90%的肺鳞状细胞癌(LUSCC)患者中过表达,而且在大部分正常组织(皮肤除外)中检测不到表达。

用高亲和力抗体Pb44707构建的抗体偶联药物Pb44707-MMAE(AMT707)在动物实验显示了对肿瘤的很强抑制活性(包括CDX模型和PDX模型)。

6371970493682583107689078.png

6371970869953281341974023.png


本项研究涵盖了从基础科学研究到临床和制药研究等多方面的研究数据,联合了包括西北大学、艾比玛特公司、上海交通大学、武汉大学、西南大学、中国科学院、中国农科院、中国农业大学、郑州果树所、广西农科院、华南农业大学、中日友好医院,以及美国杜克大学等十多家中外研究机构。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及西北大学特聘教授基金等的资助。

后续进展

截至目前,PETAL芯片的单克隆抗体数目已经从最初的6.2万株增长到超过10万株,其筛选差异化蛋白质组的能力还在不断提升。2019年,艾比玛特公司将其PETAL技术在制药和生物治疗领域的知识产权独家授权及成立了普众发现医药科技(上海)有限公司(“普众发现”)。本项研究的通讯作者孟逊博士为普众发现医药科技的创始人兼CEO。

众多知名投资机构包括北极光创投,众合资本、朴铭投资、分享资本、鹏瑞投资,朗盛投资,创源InnoSpring,以及专注于生物医药领域投资的道远资本等都积极参与了普众发现的初创投资。

目前,普众发现的研发管线包括超过10个覆盖血液瘤和实体瘤的CAR-T、ADC、双特异抗体创新药物研发项目,大部分都是针对应用PETAL技术发现的新靶标。随着近几年多个ADC药物在临床试验中表现优异并获得FDA批准上市,可以预期未来相当长一段时间ADC药物将会成为肿瘤创新药研发的热点领域之一,而普众发现以其独特的PETAL靶点发现技术,将会在新一代ADC药物的竞逐中占据领先优势,并且在CAR-T和双特异抗体领域有良好的前景。