小抗體也可以立大功 – COVID-19 抗體藥物能否藉由 Nanobody 另闢途徑？

作者：Linda Kang
編輯：顏廷耘

自新冠疫情開始以來，除了幾個大藥廠的抗體外，有好幾個研究團隊紛紛發表以 nanobodies 治療 COVID-19 的研究，究竟 nanobodies 是什麼呢？和一般常見的的 IgG 抗體藥物有何不同？

Nanobody 是個意外的發現。在1980 年代，比利時 Free University of Brussels （VUB）的生物實驗課要求學生練習從人類血清中提取抗體，但學生因為怕感染疾病而拒絕使用人類血清作研究，教學單位因而提出以庫存在冷凍庫的駱駝血清作為替代方案，卻意外發現駱駝血清中除了有常見的 IgG（約 150 kDa）以外，還有一種只有重鏈的抗體 HCAb（heavy chain antibody，大約 90 kDa）[1, 2]。它的 variable region（ variable domain of the heavy chain of HCAb，VHH ），又稱 nanobodies 或是 single-domain antibodies （ sdAb ），大小只有 15 kDa 左右，雖然 nanobody 的大小比 IgG 小很多，但是特異性（ specificity ）和親和力（ affinity ）的表現並不亞於 IgG。在這個發現之後，VUB 便開始研究 VHH ，並和 VIB （ Interuniversitair Instituut voor Biotechnologie ）於 2001 年技轉至共同成立的 Ablynx 公司[3]，這間公司在 2018 年被 Sanofi 以 39 億歐元收購 [4, 5]。

相較於常見的 IgG 有兩個 variable region （ Fv ），來自駱駝科（ Camelidae，包括駱駝和駱馬）的 nanobodies 雖然只有一個 Fv ，但對抗原的親和力和特異性並不遜於 IgG ，甚至因為不具有輕鏈的關係，讓 nanobody 在特定領域比 IgG 更具發展潛力。一般 IgG 抗體的穩定區（ Constant region, Fc ） 通常都會被醣化（ glycosylation ），IgG 上的醣化模式只出現在動物細胞內，因此需要透過動物細胞來生產 IgG ，而 nanobody 因為不帶有 Fc，所以可以用大腸桿菌（ E. coli ）和酵母菌大量生產，這兩者的表現量比動物細胞高，培養成本也比動物細胞便宜許多。除了製造成本以外，因為抗體大小與結構組成的不同，nanobody 比一般 IgG 更容易深入組織、也較少出現抗體因為溶解度（ solubility ）不佳而產生抗體聚集（ aggregate ）的現象 [6]。然而 nanobody 這個小小抗體並不是完美無缺的，大小較小的這個特性附帶而的缺點是有較短的半衰期，在體內容易被代謝掉，這個缺點可以透過結合不同的 nanobodies 來彌補。

Nanobody 的諸多優點使得科學家們嘗試將其應用於臨床治療，其中幾個著名的癌症治療案例即是立基於它高親和力與高特異性的特色，以及更能比 IgG 更深入腫瘤的優點來進行與藥物結合的 nanobody-drug conjugates 療法。目前進入臨床一期或二期的 nanobodies 大多為針對 PD-L1 和乳癌的 HER2 [5]。除了針對癌症外，Sanofi ／ Abylnx 用於治療後天性血栓性血小板減少紫斑症（ acquired thrombotic thrombocytopenic purpura, aTTP ）的 caplacizumab （ CABLIVI® ）已於 2018 年得到歐盟許可，並於 2019 年得到美國 FDA 許可，為第一個通過歐盟和美國核准的 nanobody 藥物 [5, 8]。Caplacizumab 的標靶蛋白是 vWF （ von Willebrand factor ）， vWF 是一種幫助血小板凝結的蛋白，這個蛋白一般游離於血漿中，在有傷口的情況下快速鍵結膠原蛋白並與凝聚血小板， aTTP 患者則是小血管在沒有凝需求的情況下出現凝血的情況。透過專一性與親和力極高的 nanobody 療法， caplacizumab 在臨床試驗與核准後的真實世界數據都有優越的表現 [5, 9]。 Nanobody 抗體藥物的成功案例不僅 caplacizumab 一樁， Abylnx 的類風濕性關節炎（ Rheumatoid arthritis ）nanobody 藥物 Ozoralizumab（ ATN-103 ）也於今年初在日本完成第三期臨床試驗，並送日本厚生省申請製藥和上市許可，如果核准則將會是日本第一個通過的 nanobody 藥物 [10]。

自美國 FDA 核准 caplacizumab 後， nanobody 作為抗體藥物的可能性便逐漸引起注意，尤其在新冠疫情發生後，有不少團隊紛紛發表關於新冠病毒 anti-Spike nanobodies 的研究，近期美國匹茲堡大學（ University of Pittsburgh ）發表用於治療新冠感染的吸入式 nanobodies PiN-21 的初步成果。他們在倉鼠感染新冠病毒後，於鼻腔送進低劑量（ 0.6 mg/kg ）的 PiN-21 ，相較於控制組，吸入 PiN-21 的倉鼠不但沒有出現體重降低等症狀，並且於治療十天後肺部測不到病毒。而在使用噴霧器作為給藥方式的研究中仍可以達到相同效果 [11, 12]。相較 IgG 藥物需透過靜脈注射來給予高劑量的抗體藥物，吸入式的 nanobodies 則方便和便宜許多 [12]，雖然目前還在 pre-clinical 階段，但如果進入臨床試驗後有顯著效果，nanobodies 也許會成為一個新的戰場。

參考資料：
[1] ​​Mini-antibodies discovered in sharks and camels could lead to drugs for cancer and other diseases. Science (2018). Nanobodies 的發現
https://www.science.org/news/2018/05/mini-antibodies-discovered-sharks-and-camels-could-lead-drugs-cancer-and-other-diseases
[2] Discovery of Nanobodies
https://www.chromotek.com/technology/discovery-of-nanobodies/
[3] VIB Spin-off – Nanobodies
https://vib.be/our-success-stories/nanobodies-our-legacy
[4] Sanofi press release: Sanofi completes its acquisition of Ablynx following the expiration of the Squeeze-out Procedure (June 2018)
https://www.sanofi.com/en/media-room/press-releases/2018/2018-06-19-07-00-00
[5] Nanobody approval gives domain antibodies a boost. Nature News & Analysis (2019)
https://media.nature.com/original/magazine-assets/d41573-019-00104-w/d41573-019-00104-w.pdf
[6] Holliger & Hudson, Engineered antibody fragments and the rise of single domains. Nature Biotech (2005)
https://www.nature.com/articles/nbt1142

[7] Yang & Shah, Nanobodies: Next Generation of Cancer Diagnostics and Therapeutics. Frontiers in Oncology (2020)
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fonc.2020.01182/full
[8] FDA approved caplacizumab-yhdp
https://www.fda.gov/drugs/resources-information-approved-drugs/fda-approved-caplacizumab-yhdp
[9] LA Völker et al, Real-world data confirm the effectiveness of caplacizumab in acquired thrombotic thrombocytopenic purpura. Blood Advances (2020)
https://ashpublications.org/bloodadvances/article/4/13/3085/461268/Real-world-data-confirm-the-effectiveness-of
[10] Taisho: Notification of Application for Approval to Manufacture and Market Anti-TNFα multivalent NANOBODY® compound (ozoralizumab) in Japan
https://www.taisho.co.jp/global/news/2021/20210322000753.html
[11] Nambulli et al, ​​Inhalable Nanobody (PiN-21) prevents and treats SARS-CoV-2 infections in Syrian hamsters at ultra-low doses. Science Advance (2021)
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh0319
[12] FIERCE Biotech, Pitt’s inhalable ‘nanobody’ fights off COVID-19 in hamsters at ultralow doses
https://www.fiercebiotech.com/research/pitt-s-inhalable-nanobody-fights-off-covid-19-hamsters-at-ultra-low-doses