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治疗性抗体药物开发中IgG亚型选择

目前，治疗性抗体在治疗癌症、肿瘤、自身免疫性疾病、慢性炎症、感染性疾病等领域取得了重大进展，抗体工程的发展进一步推动新型抗体的产生。截至2022年年底已上市的治疗性抗体药物及其衍生物超过100种。基于实用性和功能上的考虑，现在临床上使用的治疗性抗体大多为IgG类型。

在开发治疗性抗体时，IgG亚型的选择是基于其体外活性可以推断体内活性的假设。亚型是决定治疗性抗体的体内生物学活性的关键因素之一。除亚型外，IgG-Fc糖型、抗原决定簇密度、细胞Fc受体多态性等多个参数也共同影响着治疗性抗体体内功能结果，导致准确预测治疗性抗体的体内活性仍有困难。因此在抗体药物设计中应把亚型的结构特征与目的效应功能的关联、体外IgG-Fc和效应配体之间相互作用的分子机制、亚基的生物学活性、理化性质等纳入综合考虑，以确保最大的疗效和安全性。

虽然IgG各亚型在体外实验评估中呈现特定的效应功能，然而在不同疾病中各亚型体内的作用方式可能有所不同。因此，在治疗性抗体的开发中为达到期望的治疗效果并且避免不良反应，选择适宜的抗体亚型就显得格外重要。

IgG亚型结构特征

IgG可根据其在血清中的分布丰度进一步分为IgG1（60%）、IgG2（25%）、IgG3（10%）、IgG4（5%）4种亚型，它们的恒定区序列高度同源。4种IgG亚型其恒定区的CH2区不同、铰链区的核心CXXC序列组成不同，重链和轻链之间的二硫键连接方式也不同。

IgG亚型及其异构体示意图

图1 IgG亚型及其异构体示意图

（A）不同的IgG亚型重链和轻链结构、铰链的长度以及连接两条重链的二硫键的数量。
（B）显示了IgG2的B/B形式（重链间只有两个二硫键，并存在重轻链间的替代连接）以及中间A/B形式。
（C）IgG4的异构体导致半分子交换。

表1 IgG各亚型的结构差异

	IgG1	IgG2	IgG3	IgG4
分子质量（kDa）	146	146	170	146
活性形式	二价单体	四价二聚体	二价单体	单价半抗体
同型	4	1	13	0
铰链区氨基酸个数	15	12	62^a	12
铰链区链内二硫键的个数	2	4^b	11^a	2

a：Depends on allotype；b：A/A isomer.

IgG亚型效应功能

人类Fcγ受体家族包括六个成员，它们在细胞分布、与Fc的结合亲和力以及产生的生物活性方面有所不同。功能上最相关的FcγR是FcγRI，FcγRIIA，FcγRIIB和FcγRIIIA。FcγRI是一种对IgG具有高亲和力的激活受体，可以被单体IgG激活。除了FcγRI外，所有其他FcγR只有在抗体与特定抗原结合时，其Fc区才能激活下游效应功能。FcγRIIB是唯一的抑制性FcγR，在许多免疫细胞上表达，包括B细胞，单核细胞，巨噬细胞，DC和肥大细胞。当IgG与抗原结合时，FcγRIIB通过胞内免疫受体酪氨酸抑制基序（ITIM）转导抑制信号，抑制ADCC和ADCP。最典型的激活FcγR是FcγRIIA和FcγRIIIA。FcγRIIA主要在单核细胞和巨噬细胞上表达，而FcγRIIIA主要在NK细胞上表达。两种激活的FcγR都有两种等位基因变体。

与结构相适应，4种IgG亚型与抗原结合、免疫复合物的形成、补体激活、触发效应细胞、半衰期和胎盘转运特性均具有特异性。表2总结了IgG亚型功能特征的差异。

在4个IgG亚型中，IgG3与大多种类的FcγR的亲和力结合度最高，但由于其长铰链区和多态性，这两者都增加了稳定性和免疫原性的风险，未能成为治疗性抗体的常规选择。在其余亚型中，IgG1对所有FcγR表现出最高的亲和力，并且可以有效激活ADCC和ADCP反应。IgG4仅对FcγRI具有高亲和力，对其他受体的亲和力较弱，其Fc介导的效应功能较弱。IgG2对FcγRIIA_H131形式具有高亲和力，但对FcγRI和其他FcγR没有可测量的或微弱的亲和力。

表2 IgG各亚型的功能差异

	IgG1		IgG2		IgG3		IgG4
体内生物学活性	蛋白质抗原		糖类抗原		蛋白质抗原		响应慢性刺激、抗炎活性
半衰期（天）	21		21		7~21^a		21
胎盘转运	++++		++		++/++++^a		+++
与下列物质的抗体反应
蛋白质	++		+/-		++		++^e
多糖	+		+++		+/-		+/-
过敏源	+		(-)		(-)		++
补体激活
结合C1q	++		+		+++		–
Fc受体
FcgRI	+++	65^d	–	–	+++	61	++	34
FcγRIIa_H131	+++	5.2	++	0.45	++++	0.89	++	0.17
FcγRIIa_R131	+++	3.5	+	0.10	++++	0.91	++	0.21
FcγRIIb/c	+	0.12	–	0.02	++	0.17	+	0.20
FcγRIIIa_F158	++	1.2	–	0.03	++++	7.7	–	0.20
FcγRIIIa_V158	+++	2.0	+	0.07	++++	9.8	++	0.25
FcγRIIIb	+++	0.2	–	–	++++	1.1	–	–
FcRn (at pH < 6.5)	+++		+++		++/+++^a		+++

a：Depends on allotype;b：A/A isomer;c：Multivalent binding to transfected cells;
d：Association constant (×10⁶ M^-1) for monovalent binding; e：After repeated encounters with protein antigens, often allergens

靶向肿瘤细胞治疗性IgG亚型的选择

多达12个在肿瘤细胞上表达的靶标已经过临床验证。除靶向EGFR的西妥昔单抗和帕尼单抗分别选择IgG1和IgG2亚型外，所有其他靶标均选择了IgG1亚型。Her2和EGFR属于酪氨酸激酶受体家族，靶向抗体可能通过阻断生长信号发挥抗肿瘤活性，除此之外IgG1抗体诱导的针对受体酪氨酸激酶（RTK）的ADCC和/或ADCP也起着重要的治疗作用。因此，在开发靶向肿瘤细胞上靶标的治疗性抗体时，主要考虑IgG1，它对激活FcγR具有最佳的结合亲和力，可以引起针对肿瘤细胞的强ADCC和/或ADCP活性。此外，当ADCP被激活时，效应细胞（巨噬细胞或树突状细胞）可能会将处理后的肿瘤抗原呈递给T细胞，从而进一步引发持久的肿瘤特异性适应性免疫。

一些肿瘤细胞靶标是免疫检查点（ICP）的配体，例如PD-L1和CD47，它们分别是PD-1和SIRPα的配体。PD-1及其配体PD-L1通过逃避肿瘤中和免疫监视在肿瘤进展和存活中起至关重要的作用。PD-L1在肿瘤细胞和抗原呈递细胞中表达，与T细胞PD-1的结合导致肿瘤中的T细胞功能障碍、衰竭、中和和IL-10产生。因此，阻断PD-1或PD-L1识别过程可以阻断抑制信号传导，从而重新激活效应T细胞杀死肿瘤细胞。简单地阻断PD-L1可以诱导显著的治疗效果，但以IgG1形式保留Fc效应器功能将进一步提高治疗效果。据报道，阿维鲁单抗是一种IgG1亚型抗PD-L1抑制剂，可触发NK细胞介导的细胞毒性和细胞因子产生以对抗三阴性乳腺癌细胞。

ADCC的诱导取决于肿瘤细胞上靶标表达的丰度，每个细胞的最低需求为10⁵~10⁶。与肿瘤组织相比，正常组织通常表达水平要低得多。丰度小于10⁵的细胞诱发可能�。虼瞬换崾艿紸DCC的损害。

靶向免疫细胞治疗性IgG亚型的选择

靶向免疫细胞靶标的IgG亚型选择更为复杂。由于细胞表达免疫抑制受体的分布不同，如PD-1、TIM-3和LAG-3主要在CD8 T淋巴细胞（免疫效应细胞）中表达，而CTLA-4主要在Treg细胞（免疫抑制细胞）中表达，在开发针对免疫抑制受体（ICP）的治疗性抗体时，应仔细考虑IgG亚型的影响。目前批准的所有PD-1抗体都是IgG4亚型形式，可见IgG4是PD-1抗体的首选形式。这是因为IgG4仅对FcγRI具有高亲和力，但对所有其他FcγR的亲和力较弱，不具有可检测的Fc介导的效应功能，这意味着CD8 T淋巴细胞不会被相应消除。

针对Tregs或其他免疫抑制细胞表达的ICP可以选择IgG1亚型抗体，这些细胞可以通过ADCC/ADCP被抗体清除。靶向CTLA-4的伊匹木单抗就是一种主要通过ADCC/ADCP消除TME中的Tregs细胞来发挥治疗效果的IgG1亚型抗体。而靶向CTLA-4的IgG2亚型替西木单抗自2006年以来一直在进行广泛的临床试验。由于IgG2仅对FcγRIIa_H131具有高亲和力，FcγRIIa_H131主要在巨噬细胞中表达，在没有CD47-SIRPα阻断剂的情况下不会完全激活，因此替西木单抗将无法从TME中消除Tregs细胞。

免疫刺激受体大多数属于肿瘤坏死因子受体（TNFR）超家族（如4-1BB，CD40，OX40，CD27，GITR），经激动抗体结合后可刺激免疫。针对ICP受体的抗体单纯阻断靶点可激活T细胞，而通过抗体激活TNFR超家族成员需要抗体与FcγR交联。这表明FcγRIIB是靶向TNFR超家族成员免疫刺激受体的抗体所需要的。此外，CH1结构域中的铰链区也很重要，是抗体激动功能所必需的。给定IgG的铰链越硬，免疫刺激受体在细胞膜上的聚集越稳定，抗肿瘤功效越好。

总的来说，在开发靶向肿瘤抗原的抗体药物时，应优先考虑IgG1亚型，特别是当Fc介导的效应功能是肿瘤治疗的主要作用方式时。在选择免疫细胞中靶标的IgG亚型时，应仔细考虑靶标的性质。如果ICP在免疫效应细胞上表达，则应优先考虑IgG4。如果在Treg或其他免疫抑制细胞上表达，则应选择IgG1。对于具有免疫刺激功能的靶标，特别是TNFR超家族成员的靶标，除了表位筛选外，还应设计增强FcγRIIB参与。

参考文献
[1]Vidarsson G, Dekkers G, Rispens T. IgG subclasses and allotypes:from structure to effector functions. Front Immunol, 2014, 5 (520) : 1–17.
[2]吕若芸，陈忱，魏敬双. 治疗性抗体药物开发中IgG亚型选择[J]. 中国生物工程杂志, 2016, 36(7): 104-111.
[3]Yu J, Song Y, Tian W. How to select IgG subclasses in developing anti-tumor therapeutic antibodies. J Hematol Oncol, 2020, 13: 45.

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