《Nature Communications》：Leveraging neonatal Fc receptor (FcRn) to enhance antibody transport across the blood brain barrier
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血腦屏障（BBB）限制治療性抗體進入大腦，阻礙神經退行性疾病藥物研發。研究人員開展利用新生兒 Fc 受體（FcRn）促進 IgG 轉運至大腦的研究。結果顯示，工程化抗體可增強體外細胞轉胞吞作用和體內腦部分布，為腦部疾病生物治療帶來希望。
在神經科學和醫學領域，腦部疾病的治療一直是極具挑戰的難題。血腦屏障（BBB）如同大腦的堅固 “衛士”，它在保護大腦免受有害物質侵害的同時，也成為了治療性抗體進入大腦的巨大障礙。這一屏障使得通過全身給藥的治療性抗體難以有效穿透進入大腦，嚴重限制了這類藥物在神經退行性疾病治療方面的發展，眾多患者因此無法獲得有效的治療。
為了攻克這一難題，來自美國基因泰克公司（Genentech, Inc.）的研究人員展開了深入研究。他們將目光聚焦于新生兒 Fc 受體（FcRn），期望能找到突破血腦屏障限制的新方法。經過一系列嚴謹的實驗和分析，研究人員發現，通過對抗體 Fc 區域進行工程化改造，增強其在中性 pH 條件下與 FcRn 的結合能力，可以顯著提升抗體穿越血腦屏障進入大腦的效率。這一發現為治療腦部疾病的生物療法帶來了新的曙光，相關研究成果發表在《Nature Communications》上。
在這項研究中，研究人員主要運用了以下幾種關鍵技術方法：
- 噬菌體展示技術：對小鼠抗體 Fc 區域特定 loop 進行突變掃描，篩選與 FcRn 結合力增強的突變體。
- 表面等離子共振技術（SPR）：精確測定抗體與 FcRn 在不同 pH 條件下的結合親和力。
- 細胞轉胞吞實驗：使用表達人 FcRn 的 MDCK-II 細胞，評估抗體的體外轉胞吞能力。
- 動物實驗：選用野生型、轉基因小鼠以及食蟹猴等動物模型，研究抗體在體內的藥代動力學、腦攝取和藥效學。
下面具體來看研究結果：
- Fc 工程化人 IgG1 在野生型小鼠中提高腦攝取：轉錄分析表明，FcRn 在成年小鼠腦內皮細胞中相對外周血管有一定富集。研究人員將 M252Y/S254T/T256E（YTE）修飾引入抗 BACE1 hIgG1 抗體，發現該修飾增強了其與小鼠 FcRn（mFcRn）在 pH 6.0 和 pH 7.4 時的結合親和力。給野生型 C57BL/6 小鼠靜脈注射相關抗體后，抗 BACE1 hIgG1-YTE 雖從全身循環清除更快，但腦內抗體濃度顯著提高，且能降低腦內淀粉樣蛋白 β（Aβ1-40）水平，表明其可有效穿透腦實質并作用于神經元靶點。而在 hFcRn 轉基因小鼠（表達 hFcRn 但缺乏 mFcRn）中，抗 BACE1 hIgG1-YTE 雖血清暴露改善，但對腦抗體攝取和 Aβ1-40水平無影響，說明中性 pH 下對 FcRn 更高的結合親和力是促進抗體轉運入腦的關鍵。
- 抗 Aβ hIgG4 的 Fc 工程化在 PS2APP 轉基因小鼠中改善腦攝取和靶點結合：在 PS2APP 轉基因小鼠（阿爾茨海默病模型）中，研究人員測試了 YTE 修飾的抗 Aβ hIgG4 抗體。結果顯示，抗 Aβ hIgG4-YTE 全身暴露趨勢更低，但腦濃度在給藥后 5 天比抗 Aβ hIgG4 高約 3 倍，腦：血漿比也顯著提高。免疫組化分析表明，抗 Aβ hIgG4-YTE 在海馬苔蘚纖維束和前額葉皮質淀粉樣斑塊周圍的染色更強，定量分析顯示其在苔蘚纖維的結合積分密度更高，證明了 Fc 修飾可改善抗體腦攝取和靶點結合。
- 小鼠 IgG2a Fc 變體在小鼠中增加腦攝取：為探究人 IgG 結果能否擴展到鼠源抗體，研究人員基于已發表的 FcRn-Fc 結構，利用噬菌體展示技術對小鼠 mIgG2a 的 Fc 區域進行改造，篩選出與 mFcRn 在 pH 7.4 時親和力提高的變體。給野生型 SCID 小鼠注射不同親和力變體后發現，M252Y 和 M252Y.Q309T 變體全身抗體清除增加，且所有變體腦攝取均改善，其中 M252Y.Q309T mIgG2a 穿越血腦屏障效率最高，其 Cmax和 AUC 比野生型 mIgG2a 分別高 4.9 倍和 3.4 倍，表明腦抗體攝取與抗體對 mFcRn 在 pH 7.4 時的親和力呈正相關。
- 工程化人 IgG1 Fc 變體改善體外轉胞吞作用：研究人員對人 IgG1 進行 Fc 區域改造，篩選出多個與 hFcRn 結合親和力提高的變體。這些變體在 pH 6.0 時 hFcRn 親和力均提高，部分在 pH 7.4 時也有所提高。細胞轉胞吞實驗顯示，多數在 pH 6.0 時親和力增強但在 pH 7.4 時親和力不可測的 Fc 修飾抗體，轉胞吞作用僅有適度改善；而在 pH 7.4 時結合力提高的雙、三、四重 Fc 修飾抗體，轉胞吞作用顯著增強，最高可達野生型 IgG1 的約 150 倍。
- 工程化人 IgG1 Fc 變體在 hFcRn 轉基因小鼠中增加腦攝取和改善藥效學反應：研究人員選取 14 種在體外細胞轉胞吞實驗中表現良好且分子特性優良的 hIgG1 變體，在 hFcRn 轉基因小鼠中進行體內腦穿透研究。結果顯示，多數 Fc 修飾抗體腦抗體濃度提高，最高可達野生型 hIgG1 的約 2.5 倍，且腦：血清比與 hFcRn 在 pH 7.4 時的親和力呈正相關。選取兩個抗 BACE1 hIgG1 Fc 變體（YY 和 YQAY）進一步研究發現，它們血清暴露降低，但腦攝取增加，且能更有效地降低腦內 Aβ1-40水平，表明增強的腦攝取可轉化為更有效的靶點抑制。
- 抗 BACE1 hIgG1 Fc 變體在食蟹猴中增強腦攝取和藥效學反應：在食蟹猴實驗中，抗 BACE1 hIgG1 的 Fc 變體給藥后，血清清除更快，但腦攝取顯著提高，在給藥后 2 天，YY 和 YQAY 變體腦濃度比野生型抗體高約 7.5 倍，且腦：血清比顯著增加。同時，變體抗體在腦脊液（CSF）中的濃度與野生型相當或更高，CSF：血清比也增加。通過測量 CSF 和腦內的 sAPPβ/α 比值（反映 BACE1 對 APP 的加工）發現，變體抗體可顯著降低該比值，表明 BACE1 受到抑制。此外，變體抗體還會降低食蟹猴血清中內源性 IgG 水平，但血清白蛋白水平未改變。
- 抗 Aβ hIgG4 Fc 變體在食蟹猴中增強腦攝取：在食蟹猴中測試抗 Aβ hIgG4 的 Fc 變體發現，它們血清清除更快，但腦攝取比野生型 Fc 抗體高約 3 - 5 倍，且在 CSF 中的分布也增加。同時，接受變體抗體治療的動物腦內 Aβ1-42水平更高，表明其在中樞神經系統（CNS）中的靶點結合增強。
研究結論和討論部分指出，通過工程化改造抗體 Fc 區域，增強其在 pH 7.4 時與 FcRn 的結合親和力，可有效促進抗體的體外細胞轉胞吞作用和體內腦部分布。這一方法在不同 Fab（如抗 BACE1、抗 Aβ 和非結合型）和不同 IgG 亞類（hIgG1、hIgG4 和 mIgG2a）的抗體中均表現出良好效果，表明其具有廣泛適用性。
此前關于 FcRn 在血腦屏障中的作用存在爭議，有研究認為它要么不參與抗體跨血腦屏障轉運，要么促進 IgG 從腦內流出。但該研究提出，FcRn 可通過受體介導的轉胞吞作用促進抗體跨血腦屏障轉運，且這一過程依賴于 pH 7.4 時的 FcRn 親和力。增強的轉胞吞作用在血腦屏障和血 - 腦脊液屏障中均有體現，CSF 有可能作為臨床監測腦暴露的替代指標。
不過，研究中也發現一些問題。例如，具有增強 FcRn 親和力的抗體在小鼠和食蟹猴中靜脈給藥后，血清清除更快，這可能與多種機制有關，包括 FcRn 降解增加、細胞攝取和轉胞吞導致血清暴露減少等。在食蟹猴中，約 7 天后 Fc 變體血清抗體暴露急劇下降，可能是產生了抗藥物抗體（ADA），這可能會限制藥物暴露和療效，還存在潛在安全風險。此外，Fc 變體導致內源性循環 IgG 水平降低，雖在停藥后可恢復，但仍需在后續開發中密切監測其對免疫功能的影響。
總體而言，這項研究為治療神經退行性疾病和其他中樞神經系統相關疾病的藥物研發提供了新的策略。利用 FcRn 促進血腦屏障轉運的技術，僅需對抗體進行適度突變修飾，就能增強其與天然 Fc 受體的親和力，且不影響抗體的 Fab 雙價性和 Fc 效應功能，有望顯著改善藥物的藥理性能，為腦部疾病患者帶來新的希望 。
