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，最近有究竟 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。
 
1980 年代，位於比利時布魯塞爾 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]。
 
HCAb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]。

nanobody 在特定領域比 IgG 更具發展潛力

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血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]。
 

新冠病毒 anti-Spike nanobodies新戰場

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

本文由EternalOne BioIndustry Club授權轉載。

作者：Linda Kang
編輯：顏廷耘
定稿日期：2021/10/22
整理：環球生技編輯部