納米抗體衍生于駱駝科動物的重鏈抗體，是目前多種生物醫(yī)學應用中的重要工具。當前獲得納米抗體的主要方法是構建羊駝納米抗體噬菌體展示文庫，通過抗原淘選，從噬菌體展示文庫中淘選出高親和力的納米抗體。

        在本綜述中，我們探討了推動納米抗體設計與優(yōu)化的結構特征、功能屬性及計算方法。我們分析了其獨特的抗原結合域，強調了互補決定區(qū)（CDR）在目標識別及其特異性中的關鍵作用。此外，本綜述還從生物學角度闡述了納米抗體相對于傳統(tǒng)抗體的優(yōu)勢，包括其小尺寸、高穩(wěn)定性和良好溶解性，這些特性使其成為診斷、治療和生物傳感中高效低成本的抗原捕獲抗體。

圖1. 常規(guī)抗體，單鏈抗體和納米抗體

        傳統(tǒng)全長抗體存在于人類及其他哺乳動物體內，是由多個結構域組成的Y形分子（如圖1所示）。每個抗體由兩條相同的重鏈（包含VH、CH1、CH2和CH3結構域）和兩條相同的輕鏈（包含VL和CL結構域）組成。重鏈的恒定區(qū)CH2和CH3構成Fc區(qū)域。Y形結構的兩個“臂”被稱為抗原結合片段（Fab區(qū)），由兩個重鏈可變區(qū)（VH）和兩個輕鏈可變區(qū)（VL）以及兩個恒定區(qū)（CH1和CL）組成。

        抗原結合位點，也稱為抗原決定簇，位于抗體“臂”的末端，處于由重鏈（VH）和輕鏈（VL）的可變區(qū)形成的口袋或槽中。這些結合位點由六個超變去組成，通常稱為互補決定區(qū)（CDR）。重組的抗體片段，如Fab片段、scFv、納米抗體（如圖1所示）及多價工程化變體，是有效的抗原結合分子。這些片段保留了完整單克隆抗體的靶向特異性，同時提供了適合各種診斷和治療應用的獨特優(yōu)勢。它們被廣泛用于體外成像和診斷的示蹤劑、生物傳感器的開發(fā)，以及靶向癌癥和SARS-CoV-2等多種疾病的治療手段。

        納米抗體（Nanobodies），也稱為VHH或單域抗體，由于缺少輕鏈，是從僅有重鏈的抗體中衍生出來的小型抗體片段。1993年首次在駱駝血清中被報道發(fā)現(xiàn)，但在其他駱駝科動物如羊駝、美洲駝以及鯊魚體內也存在。普健生物可提供駱駝，羊駝，美洲駝三種駝科動物的天然噬菌體展示文庫淘選和免疫噬菌體展示文庫淘選服務。天然噬菌體展示文庫淘選得到的序列重組表達后親和力可以達到10^-9 M級，免疫噬菌體展示文庫淘選得到的序列重組表達后親和力可以達到10^-10 M級。

        納米抗體僅有三個互補決定區(qū)（CDR），其可單獨作為抗原結合區(qū)域，并且其結合親和力與單克隆抗體相當。納米抗體甚至能夠與隱蔽表位相互作用，這些表位是傳統(tǒng)抗體無法接觸到的，例如酶活性位點以及SARS-CoV-2刺突蛋白中的表位。與抗體類似，納米抗體也含有免疫球蛋白樣的β-夾層結構，該結構由反平行的β-鏈組成，并排列成兩個片層，由內部的二硫鍵保持其穩(wěn)定性（如圖1）。這種結構框架為構成結合表面的三個CDR區(qū)提供了穩(wěn)定性。這些CDR區(qū)的長度、組成和結構具有可變性，其中CDR3的序列變異性最大，長度范圍為12至18個殘基，因此被認為是抗原結合特異性的重要貢獻者之一。值得注意的是，納米抗體通常具有比抗體更長的CDR3區(qū)，并且可以采用連接或擴展的構象，使納米抗體能夠通過手指狀的抗原結合位點進入常規(guī)抗體無法接觸的結合口袋。因此，納米抗體中的CDR3區(qū)占據(jù)的構象空間比抗體中的更大，因為其不受與配對輕鏈域的限制。納米抗體的CDR3區(qū)通常貢獻了整個結合位面超過50%的結合相互作用。納米抗體的其余部分由四個區(qū)域組成，其序列和結構比常規(guī)抗體更為保守，稱為框架區(qū)（framework regions）。納米抗體中對應常規(guī)抗體VH-VL界面的區(qū)域表現(xiàn)出比其他抗體片段（如Fab和scFv）更高的親水性，這一特性減少了自我結合或二聚化的可能性，從而確保納米抗體保持單體狀態(tài)。總體而言，納米抗體的結合位面在結構片段、用于抗原相互作用的殘基以及與抗原建立的接觸種類方面表現(xiàn)出比常規(guī)抗體更大的多樣性。

        與傳統(tǒng)抗體（分子量約150 kDa）相比，納米抗體具有多種優(yōu)勢，包括較小的分子量（約110個氨基酸，分子量約12–15 kDa）、出色的穩(wěn)定性和良好的溶解性，同時仍能保持與傳統(tǒng)抗體相似的高親和力結合能力。此外，納米抗體因其優(yōu)異的生化特性——如高熱穩(wěn)定性、強組織滲透性和低免疫原性——而備受關注。納米抗體還可以通過細菌表達系統(tǒng)以經(jīng)濟高效的方式大量生產(chǎn)，納米抗體可以通過大腸桿菌系統(tǒng)分泌到周質空間表達成功。但是，相比之下，較昂貴的真核表達系統(tǒng)(如普健生物的XtenCHO哺乳細胞表達系統(tǒng))表達得到的納米抗體通常具有更高的生物學活性。由于這些有利特性，納米抗體及其衍生物在許多生化應用中正逐步替代傳統(tǒng)抗體。此外，納米抗體還作為新型工具，解決了傳統(tǒng)抗體無法應對的研究挑戰(zhàn)。例如，納米抗體被用于穩(wěn)定蛋白質構象狀態(tài)及其動態(tài)性，甚至能夠調控G蛋白偶聯(lián)受體的變構調節(jié)。它們還被用作載體蛋白，用于便捷地檢測與免疫檢查點蛋白程序性死亡受體1（PD-1）結合的肽。諸如Legobodies（由納米抗體、Fab片段和融合蛋白組成的復合體）和Megabodies（將納米抗體嫁接到球形剛性細菌蛋白上）等新型復合體被用來通過單顆粒冷凍電子顯微鏡解析小蛋白的結構，從而增加粒子分子量。
        納米抗體通常通過免疫動物（如羊駝或駱駝）來獲得，即將目標抗原注射到動物體內，通過構建和淘選噬菌體展示文庫的方法獲得抗體序列。然而，隨著定向進化技術的進步，納米抗體庫現(xiàn)在可以完全通過合成方法構建噬菌體展示突變文庫，在幾周內生成。這些噬菌體展示文庫的主要差異通常體現(xiàn)在CDR-H3長度上，形成了三種獨特的相互作用表面：凹面、突出環(huán)和凸形結合面。這些庫可用于選擇與目標蛋白結合的分子，包括膜蛋白以及稀有構象狀態(tài)下的蛋白質。
        除了在基礎生化研究中的廣泛應用外，納米抗體也越來越多地被用作診斷工具、分子成像探針和治療劑。目前，納米抗體正用于多種人類疾病的臨床研究，涵蓋乳腺癌、腦腫瘤、肺部疾病和傳染病等病癥。納米抗體還能夠靶向各種腫瘤，并已應用于前列腺癌的診斷和治療。自2019年以來，特別是在新冠疫情期間，許多研究（包括計算蛋白質設計）開始探索納米抗體作為抗病毒劑的潛力。納米抗體被工程化設計以特異性靶向SARS-CoV-2刺突蛋白的受體結合域（RBD），包括針對奧密克戎變種的設計，從而阻止病毒與人體血管緊張素轉化酶2（ACE2）的相互作用。通過與刺突蛋白結合，納米抗體干擾了病毒感染人體細胞的能力，并有可能中和其傳染性。

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參考文獻：Nanobody engineering: computational modelling and design for biomedical and therapeutic applications