Fc融合蛋白

Fc融合蛋白Fc融合蛋白是指利用基因工程技術將免疫球蛋白(IgG、IgA等)的下載Fc段與某種具有生物學活性的功能蛋白分子融合而產生的新型蛋白。具有生物學活性的功能蛋白可以是細胞因子、毒素、受體、酶、抗原肽等。Fc融合蛋白不僅可發揮所融合蛋白的生物學活性,還具有一些抗體的性質,如可引起抗體依賴細胞介導的細胞毒作用(ADCC)、補體依賴的細胞毒作用( CDC)與抗體依賴細胞介導的吞噬作用(ADCP)等。
蛋白類藥物在血漿內半衰期較短,為了達到治療效果需要大劑量給藥,這樣會造成嚴重的副作用,給患者造成巨大的負擔。將功能蛋白與免疫球蛋白的Fc段融合,可以延長藥物在血漿內的半衰期,降低藥物的免疫原性,在疾病的診斷與治療方面有重要的意義。

Fc融合蛋白結構與功能

Fc融合蛋白由免疫球蛋白的Fc段與具有生物學活性的蛋白分子組成。Fc段與功能蛋白具有相對獨立的結構域與功能,能夠從不同角度影響融合蛋白的理化性質與生物學活性。

Fc融合蛋白結構

圖1:Fc融合蛋白結構

Fc結構域

Fc融合蛋白最主要的特點是包含Fc段,與單克隆抗體中Fc段功能類似,融合蛋白的Fc段可以起到延長功能蛋白在血漿內的半衰期、提高分子的穩定性、特異性結合體內的Fc受體,并發揮相應的生物學功能等作用。除此之外,Fc段可以特異性結合protein A,簡化了Fc融合蛋白的純化步驟,在相關生物制品的研發制備具有重要意義。

延長半衰期

人體內的免疫球蛋白依賴于Fc段與新生Fc受體(FcRn)的結合,在FcRn的保護下,半衰期可以長達19~21d。與此類似,Fc融合蛋白也能依賴此原理延長在體內的半衰期:Fc段與FcRn的結合呈pH依賴性,在pH7.4的生理條件下,FcRn與Fc不結合;在細胞內涵體pH 6.0~6.5的酸性條件下,兩者結合,從而避免了融合蛋白在細胞內被溶酶體等快速降解。除此之外,Fc段能夠增大分子體積,降低腎清除率,也從一定程度上延長了半衰期。

提高分子穩定性

Fc融合蛋白可以通過Fc鉸鏈區的二硫鍵鏈接形成穩定的二聚體。通過對二硫鍵進行進一步的基因工程改造,還可以使Fc融合蛋白形成更加穩定的六聚體復合物。另外,Fc區域可以獨立折疊,保證了分子的穩定性。

有利于融合蛋白的表達與檢測

將Fc段與功能蛋白融合,可提高蛋白在哺乳動物中的表達分泌,同時Fc段可以與protein A發生特異性結合,有利于融合蛋白的純化。

與Fc受體結合,發揮生物學效應

Fc融合蛋白的FC結構域可與免疫細胞表面的Fc受體結合,發揮多種生物學功能(見表1),如介導穿過胎盤和粘膜屏障、炎癥反應、抗體依賴細胞介導的吞噬作用(ADCP)、抗體依賴細胞介導的細胞毒作用(ADCC)、補體依賴的細胞毒作用(CDC),促進樹突狀細胞(DC)成熟,調節細胞因子分泌,調節B細胞增殖分化等。

表1:主要的Fc受體及相應的生物學功能

受體 抗體配基 細胞分布 配基親和力(L/mol) 效應
FcγRⅠ(CD64) IgG 單核細胞、巨噬細胞等 107~105 噬菌作用,細胞激活,介導ADCC效應
FcγRⅡa(CD32) IgG 巨噬細胞、中性粒細胞等 <107 噬菌作用,脫顆粒作用,介導ADCC效應
FcγRⅡb(CD32) IgG B細胞、單核細胞等 <107 抑制細胞激活作用
FcγRⅢa(CD16a) IgG 巨噬細胞、單核細胞等 2×107 介導ADCC效應,促巨噬細胞分泌細胞因子
FcγRⅢb(CD16b) IgG 中性粒細胞、嗜酸細胞等 <107 誘導殺菌作用
FcεRⅠ IgE 肥大細胞、嗜堿細胞等 >1010 脫顆粒作用,促炎癥介質或細胞因子釋放
FcεRⅡ(CD23) IgE B細胞、T細胞等 106 調節作用
FcαRⅠ(CD89) IgA 中性粒細胞、單核細胞等 2*107 噬菌作用,介導ADCC效應
FcRn IgG 上皮細胞、內皮細胞 2*108 將母體IgG轉運到胎兒體內;保護IgG免受降解

功能蛋白

Fc融合蛋白的Fc結構域影響了融合蛋白分子的理化性質與生物學活性,而功能蛋白部分則決定了Fc融合蛋白的藥理活性。功能蛋白的種類很多,可以是細胞因子、毒素、受體、酶等,其作用也各不相同。功能蛋白的作用主要有:抗炎性感染、抗病毒感染、抗瘤免疫、防止溶骨、抗移植排斥、治療痛覺過敏、自身免疫性疾病的治療等。

Fc蛋白的臨床應用

大部分Fc融合蛋白藥物的作用機制為受體與配體之間的相互作用,同時輔以Fc片段的多種生物學功能。截止2014年9月,已有9種人IgG-Fc融合蛋白藥物經美國食品及藥品監督管理局(FDA)批準臨床使用,包括治療甲型血友病藥物抗血友病因子Fc融合蛋白(Eloctate,2014)、移植排斥藥物Belatacept(Nulojix,2011)、乙型血友病的藥物凝血因子IXFc融合蛋白(Alprolix,2014)、年齡相關性黃斑變性藥物Aflibercept(Eylea,2011)、CAPS藥物Rilonacept(Arcalyst,2008)、慢性免疫性血小板減少性紫癜藥物Romiplostim(Nplate,2008)、風濕性關節炎藥物Abatacept(Orencia,2005)和Etanercept(Enbrel,1998)以及銀屑病和移植排斥藥物Alefacept(Amevive,2003)。除了上述已成功轉化的臨床應用的Fc融合蛋白外,有更多的Fc融合蛋白藥物處于臨床研究中 。

另外,Fc融合蛋白也可以作為一種新型疫苗形式,將病原體的部分抗原肽與IgG-Fc片段進行融合,誘導機體產生抗原特異性免疫應答。研究表明,HIV-1 Gag p24、gp120 V3以及流感病毒HA胞外域與小鼠IgG2a-Fc的融合疫苗,可提高小鼠抗原特異性體液免疫反應。

Fc融合蛋白較傳統蛋白類藥物具有多種新特性,在全世界范圍內受到廣泛關注,但Fc融合蛋白本身也存在許多局限,如價格昂貴、不可口服給藥等。隨著相關技術與理念的不斷進步,Fc融合蛋白在臨床治療、醫學生物研究等領域必將發揮更大的作用。

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