本文最初刊登于 Knowable Magazine。
每四个月，病理学家 Aaron LeBeau 都会在他的威斯康星大学实验室里，用网捞起他饲养的五条护士鲨中的一条。然后，他会像儿科医生给孩子注射疫苗一样，小心翼翼地给动物注射。这种注射可以使鲨鱼免疫人类癌症或传染病，例如 COVID-19。几周后，待动物的免疫系统产生反应，LeBeau 就会收集一小瓶鲨鱼血。
而在国家的另一端，免疫学家 Hidde Ploegh 也在进行相同的步骤，只不过他使用的是生活在马萨诸塞州西部一个农场里的羊驼。两位科学家追求的是同一样东西：一些特定动物独有的、可能对人类健康产生重大影响的微小抗体。
大多数抗体——那些在我们血液和组织中巡逻、搜寻病原体的分子——在蛋白质中算得上是相当庞大的。但骆驼、鲨鱼及其近亲产生的抗体则更简单、更小。自 20 世纪 80 年代末发现以来，研究人员已了解到，这些抗体威力巨大：它们可以附着在分子的隐蔽部位，并能更深入地穿透组织，从而增强其作为疗法的潜力。
“它们可以进入人体抗体无法触及的各种蛋白质的微小角落，”LeBeau 说。
近几十年来，对这些微小抗体的研究激增。它们不仅可以潜入狭小的空间，而且易于操作——比普通抗体更坚固——并且大规模生产相对便宜。所有这些特性都使这些抗体成为治疗多种疾病的有前途的疗法，无论是血栓性疾病还是 COVID-19。研究人员还在探索它们在癌症等疾病诊断中的应用，并且它们正成为其他类型研究的关键工具，例如绘制细胞内部结构图。
这些抗体的全部潜力可能还需要数年才能实现，但研究人员对它们的可能性感到非常兴奋。“我认为它们有潜力拯救世界，”LeBeau 说。
血液采集的运气
一群生物学学生在 1989 年偶然发现了这些不寻常的抗体。布鲁塞尔自由大学的学生需要一些血液来进行一次考试，他们的任务是将抗体分成两个主要部分：两条构成 Y 形的重链蛋白，以及两条位于 Y 形顶部分支两侧的轻链蛋白。
当时，鉴于对潜在 HIV 暴露的担忧，使用人血似乎风险太高，而学生们又不想杀死老鼠。但学生们的教授，已故的 Raymond Hamers，碰巧正在研究大型动物的昏睡病。免疫学家 Serge Muyldermans 表示，当时他是该大学的博士后研究员，教授给了学生们一些骆驼血。
奇怪的是，学生们在血液中只发现了重链蛋白，尽管抗体本应也有轻链。正如 Muyldermans 所说，大家认为骆驼抗体已经降解了——或者学生们做错了什么——于是 Hamers 前往安特卫普动物园收集了新鲜的骆驼血。但学生们并没有犯错：骆驼只产生重链蛋白的抗体。
Muyldermans 说，在早期，Hamers 就意识到了骆驼科动物的微小抗体的潜在应用，他在 2021 年的《动物生物科学年鉴》中详细介绍了它们的多方面用途。与人类或小鼠的抗体一样，骆驼科动物的抗体可以进一步简化成更小但仍然有效的片段——仅仅是 Y 的尖端。这些称为可变区的片段是任何抗体的“工作端”——它们充当抗体的“传感器”，可以附着在病原体或毒素上，任何被识别为外来物质并可能构成威胁的物质。
在标准抗体（骆驼也制造）中，可变区成对出现，一个来自重链，一个来自轻链。但骆驼科动物的单重链抗体的可变区是单独存在的。研究人员意识到，这些单独的片段可能能够抓住常规抗体因体积过大而无法触及的外来分子部分。
1993 年，该团队在《自然》杂志上发表了这一发现。次年，Hamers 为这些骆驼科动物抗体片段（也称为 VHH 抗体或“纳米抗体”，一个注册商标术语）的生产申请了专利。几年后，另一组研究人员报告称，鲨鱼也产生仅含重链的抗体，并且这些抗体的尖端更小（这些鲨鱼的末端片段称为可变新抗原受体，或 VNARs）。
Ploegh，波士顿儿童医院的免疫学家说，随着原始专利于 2013 年到期，对这些抗体的研究确实呈爆炸式增长。“基本上是水坝决堤，很多人都加入了这场游戏。”
此后，科学家们对这些微型抗体的优势有了很多了解。有些是实际的：与全尺寸抗体不同，这些片段在室温下是稳定的，因此无需冷藏或冷链运输。LeBeau 说，鲨鱼的微型抗体甚至可以煮沸而功能不受影响。而全尺寸抗体需要在烧瓶中用哺乳动物细胞培养，而维持这些细胞可能非常复杂且昂贵，而这些片段可以使用细菌大量生产，从而节省了时间和金钱。
这些微型抗体也倾向于正确地自组装，保持其正确的形状，这使得它们成为全尺寸抗体的一个有前途的替代品，因为全尺寸抗体有更多的部件，因此可能发生错误折叠。这种错误折叠可能会暴露更容易被免疫系统识别为外来分子的部分，从而引发身体产生负面免疫反应，对患者健康可能造成严重后果。
但微型抗体最突出的特点是其多功能性。所有抗体，无论是来自人类还是鲨鱼，在其尖端都有可变区，但鲨鱼和骆驼的抗体具有独特的特性。它们有一个特别长而细的手指，称为 CDR3 环，可以伸入人体抗体无法触及的地方。它们似乎很容易改变形状——LeBeau 将这种特性描述为“分子瑜伽”。这意味着微型抗体可以进入狭窄的区域，无论是身体组织还是单个分子的微小部分。
抗癌抗体
对这些不寻常的微型抗体的研究现在开始结出硕果。2019 年，首个在美国食品药品监督管理局（FDA）批准的微型抗体医疗疗法 Cablivi 上市。它治疗一种导致小血管血栓的罕见血液病。该疗法使用纳米抗体结合血小板中的一种蛋白质，从而阻止它们聚集在一起。
微型抗体可能成为癌症治疗的宝贵工具。全尺寸抗体已用于免疫疗法治疗某些癌症；在某些情况下，抗体标记癌细胞，以便身体自身的免疫细胞能够识别并杀死这些癌细胞；在其他情况下，它可能将免疫细胞带到癌细胞附近，以便身体能够更好地对抗癌症。微型抗体也可以执行相同的任务，还可以用于其他方面，例如靶向蛋白质以减少肿瘤生长或阻止血管为肿瘤供血。Ploegh 说，这些较小的抗体也可能不像全尺寸免疫疗法抗体那样容易引发负面免疫反应，这可能会导致治疗的巨大改善。
LeBeau 则专注于开发针对前列腺癌和肺癌的微型抗体。他实验室里的鲨鱼，都以詹姆斯·邦德电影中的反派命名——Goldfinger、Hugo Drax、Mr. Stamper、Oddjob 和 Nick Nack——为他提供了用于实验室实验的抗体。他的实验室最近发现了一种鲨鱼抗体片段，该片段对一种高度侵袭性且目前无法治疗的肺癌形式具有特异性。他希望这种新的微型抗体能帮助对抗这种癌症，并且目前正在进行研究来测试它。
微型抗体也正在帮助医生更轻松地检测癌症，更精确地精确定位患病细胞。通过将放射性示踪剂分子连接到靶向癌细胞的特定抗体上，医生可以在 PET 扫描中找到癌细胞，由于它们能更深入地穿透组织，因此其分辨率可能比标准抗体更高。2019 年，《美国国家科学院院刊》上的一篇报道称，一种基于纳米抗体的示踪剂在小鼠体内检测到多个肿瘤，其特异性高于常规成像。
战胜病毒
科学家们也正在利用微型抗体来对抗包括 COVID-19 在内的传染病。墨尔本大学和沃尔特和伊丽莎·霍尔医学研究所的传染病研究员 Wai-Hong Tham 一直致力于开发能够附着在 SARS-CoV-2 刺突蛋白上的纳米抗体，以阻止病毒进入人体细胞。
在 2021 年《美国国家科学院院刊》上发表的一项初步研究中，Tham 和她的同事从羊驼身上鉴定了几种纳米抗体，这些纳米抗体干扰了刺突蛋白与用于进入细胞的分子门锁结合的能力；在小鼠实验中，这些纳米抗体的混合物也减少了病毒的量。Tham 表示，理想情况是，他们能够找到一种能普遍阻断 COVID-19，而不受冠状病毒变异体影响的纳米抗体。另一组纳米抗体组合也显示出希望：2021 年，《科学》杂志上的一项独立研究报告称，四种纳米抗体以各种组合混合使用，在细胞实验中使刺突蛋白失活。
Tham 表示，微型抗体可以通过 mRNA 技术递送，以便抗体在人体细胞内组装。Tham 说，类似疫苗的注射可能对其他传染病有效，可以对抗毒素，例如肉毒杆菌毒素，或者甚至可以递送癌症或其他疾病的疗法。
而且，通过简单的药丸，微型抗体可以直接递送到肠道，这有助于阻断许多通过消化道进入体内的病原体，例如轮状病毒。微小的微生物——如酵母、细菌和藻类——由于全尺寸抗体过于复杂而无法有效地制造它们。然而，研究人员已经提出了基因工程改造螺旋藻（一种通常作为营养补充剂出售的蓝绿色藻类）或称为乳杆菌或乳球菌的无害细菌，它们可以通过药丸递送治疗性纳米抗体，这比生产药物的成本效益要高得多，Tham 说。
探究细胞奥秘
这些微型抗体对于研究蛋白质和研究分子之间相互作用的科学家来说也是一大福音。这些抗体的大小和长指状结构有助于解析蛋白质结构，绘制细胞内蛋白质图谱，并展示细胞内分子如何相互作用。
例如，研究人员最近解析了一种名为 ASIC1a 的人类蛋白质的结构——它形成一种让钠离子进入神经元的通道，并在疼痛感知和几种神经退行性疾病中起重要作用。研究团队在 2021 年的《eLife》杂志上发表报告称，通过纳米抗体稳定该蛋白质，使研究人员能够以更高的分辨率确定其结构。
Ploegh，2018 年《免疫学年鉴》中关于它们特性的概述的合著者之一，表示：“单域抗体具有绘制那些否则会很难研究的相互作用的潜力。”科学家们甚至在研究它们在脑部的潜在用途——这是一项棘手的任务，因为血脑屏障会阻止外来分子进入。一个国际团队最近报告称，他们使用纳米抗体作为传感器，来研究小鼠大脑中某种蛋白质是否被激活，以及它的位置。
Ploegh 说，微型抗体非常有用，与全尺寸抗体相比具有显著优势，但由于难以获得制造它们的动物，它们仍然相对小众——并非所有研究人员都能在附近找到骆驼、美洲驼或 LeBeau 的情况下的鲨鱼。（“可能很少有人疯狂到真正建造一个鲨鱼缸并与鲨鱼打交道。但我们做到了，”LeBeau 说。）
但随着兴趣的增加，这种情况正在开始改变。研究人员还在开发新方法，例如创造合成纳米抗体以及开发具有“骆驼化”免疫系统的转基因小鼠用于研究。
科学家们仍然不知道为什么只有骆驼科动物和软骨鱼类（如鲨鱼）是已知的能产生重链抗体的动物。鲨鱼是拥有抗体作为其免疫系统一部分的最古老的现存生物，它们的抗体比骆驼科动物的抗体更稳定。科学家们推测，鲨鱼之所以依赖这些抗体，是因为它们血液中尿素浓度高，这会降解大多数哺乳动物的抗体。
鲨鱼的进化比骆驼早约 3.5 亿年，但骆驼科动物的重链抗体也相对古老：它们存在于旧世界骆驼科动物（如骆驼）和新世界骆驼科动物（如美洲驼和羊驼）中，这表明这些抗体可能在骆驼科的早期进化过程中就已发展出来。Ploegh 说，也许“有些病原体是骆驼科动物特有的，而这些重链抗体是抵抗它们的最佳武器。”
鲨鱼的重链抗体可能是现存最古老的免疫分子——但 LeBeau 对它们未来的成就感到欣喜若狂。“每当你研究它们时，每天都会看到新的东西。这真的令人兴奋，”他说。
至于他那两条长约两英尺的鲨鱼，当它们长出水箱时，它们将退休到当地的水族馆。
10.1146/knowable-021623-1
本文最初发表于Knowable Magazine，这是来自 Annual Reviews 的一项独立新闻报道。注册新闻通讯。
