2022, Vol. 29
2. 同济大学附属东方医院南院检验科, 上海 200120
2. Department of Laboratory Medicine, Southern Branch, Dongfang Hospital, Tongji University, Shanghai 200120, China
近年来，治疗性单克隆抗体是最畅销的生物制剂。然而，随着基因工程、蛋白质工程等技术的成熟，新型抗体衍生物正在取代传统的单克隆抗体，用于解决复杂的病理生理学问题并改善现有疗法[1]。IgG形式的抗体分子之所以在体内具有长半衰期，主要归因于其Fc片段与新生儿Fc受体（neonatal Fc receptor, FcRn）结合介导的再循环机制。通过重组表达技术将IgG-Fc片段连接到另一个具有生物学活性的分子上，所开发的药物称为重组Fc融合蛋白类药物。IgG-Fc片段融合蛋白技术是目前延长蛋白和多肽类药物半衰期的最有效手段之一。Fc融合蛋白分子由免疫球蛋白的Fc结构域（铰链区-CH2-CH3）与功能分子连接构成。细胞表面受体、细胞因子、酶、病原体表面肽类抗原等具有生物学意义的分子都可以与Fc段进行融合表达[2]，从而延长其体内半衰期，达到药效学作用[3]。此外，Fc融合蛋白还具有抗体的其他生物学特性，如引发抗体依赖细胞介导的细胞毒性（antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity, ADCC）效应。
1989年，Capon等[4]将CD4分子细胞外结构域与人IgG1-Fc融合，构建了第1个治疗性Fc融合蛋白，该蛋白与人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus, HIV）的包膜（Env）糖蛋白特异性结合，抑制HIV感染CD4+T细胞。近年来，Fc融合蛋白类药物快速发展。本文对重组Fc融合蛋白的结构特征与药理学特性进行综述，并介绍重组Fc融合蛋白的临床药物开发及其在非临床领域中的应用与发展。
1 重组Fc融合蛋白的药理学作用机制Fc融合蛋白由功能蛋白和Fc段构成，其药理学特性机制主要分为2类：（1）功能蛋白识别肿瘤细胞表面抗原，Fc段与FcγRs作用激活免疫细胞，诱导ADCC、抗体依赖的细胞吞噬（antibody-dependent cellular phagocytosis，ADCP）和补体依赖的细胞毒性（complement-dependent cytotoxicity, CDC）效应，产生溶细胞作用；（2）仅功能蛋白发挥其特定的生物学作用，Fc段辅助延长功能蛋白半衰期，使其在体内长效作用。
1.1 Fc段的主要功能 1.1.1 介导细胞毒性效应Fc段的潜在免疫调节功能依赖其与FcγRs家族的相互作用来激活或抑制免疫细胞，介导ADCC、CDC及ADCP效应，近而调控后续的免疫反应。许多靶向肿瘤细胞表面抗原的治疗性单克隆抗体依赖此机制发挥作用，如利妥昔单抗、曲妥珠单抗、阿仑单抗等。细胞表面蛋白的配体与Fc段构建而成的融合蛋白同样也可依赖Fc-FcγRs的相互作用发挥溶细胞作用。溶细胞性Fc融合蛋白的功能蛋白识别靶细胞表面抗原，Fc段与自然杀伤（natural killer, NK）细胞表面的FcγRⅢA结合，激活NK细胞，释放细胞毒性颗粒（穿孔素、颗粒酶），导致靶细胞凋亡[5]。增强Fc段与FcγRⅢA的亲和力可改善ADCC效应介导的肿瘤杀伤作用。补体复合物C1的亚组份C1q是由6个相同亚单位组成的对称六聚体，与免疫复合物的Fc段结合后，介导CDC效应，募集血清中存在的大量C1q，形成膜攻击复合物（membrane attack complex, MAC），诱导靶细胞裂解[6-8]。用于治疗B细胞淋巴瘤的抗CD20利妥昔单抗依赖CDC效应控制并清除恶性B细胞。目前，关于增强抗体CDC活性的研究主要聚焦于Fc段与C1q的亲和力。经分子间Fc-Fc相互作用形成的IgG六聚体是六价C1q的最佳结合位点[9-11]。Jong等[11-12]研究发现，Fc段单点突变（E430G）使IgG更容易形成六聚体形式，增强CDC活性；而Wang等[13]发现，Fc段的单价靶点具有更有利的几何定位，能够更恰当地与C1q结合，激活CDC效应。
1.1.2 延长功能蛋白半衰期内源性IgG在FcRn的保护下，半衰期可达19 d。在酸性环境下，即细胞内涵体中（pH 6.0~6.5），IgG-Fc段与FcRn相互作用，2个FcRn分子结合1个IgG分子，形成稳定复合物，延缓溶酶体对IgG的降解，延长IgG的血浆半衰期；而在pH7.4的生理环境下，二者不结合，因此FcRn以pH依赖性的方式维持血液循环中高水平的抗体浓度[14]。多肽及一些普通蛋白分子量较小，易被内源性蛋白酶、肽酶水解，肾脏清除速率较快、半衰期较短，严重阻碍蛋白分子的药物开发[15]。然而将小分子蛋白或多肽与Fc段构建成融合蛋白后，赋予了蛋白分子类似于抗体的性质，通过Fc段与FcRn的作用，其血浆半衰期被显著延长，能够在体内发挥长效作用。例如，内源性胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）易被二肽基肽酶-4（dipeptidyl peptidase, DPP-4）水解失活，而将GLP-1突变体与hIgG4-Fc融合后得到的杜拉鲁肽在体内长效激活GLP-1R，维持血糖稳定。
1.2 功能蛋白的性质Fc融合蛋白的药理学特性除由Fc段介导的细胞毒性作用和延长半衰期外，功能蛋白特有的药理活性同样重要。不同于以肿瘤抗原为靶点的单克隆抗体，Fc融合蛋白的功能蛋白种类、来源、靶点、效应都更加广泛，在治疗性单克隆抗体的基础上改善药效，弥补缺陷。例如，在用于治疗年龄相关的湿性黄斑变性（wet age-related macular degeneration，wAMD）的生物制剂中，雷珠单抗为单靶点药物，仅能作用于血管内皮生长因子的A亚型（vascular endothelial growth factor-A, VEGF-A），而阿柏西普和康柏西普这2种Fc融合蛋白类药物，可与VEGF-A、VEGF-B、胎盘生长因子（placental growth factor, PLGF）结合，发挥更高效的抗肿瘤活性。百健艾迪研发的重组凝血因子Ⅷ-Fc融合蛋白（efmoroctocog alfa）可暂时性替代凝血过程中缺失的凝血因子，用于预防和治疗A型血友病。此外，功能蛋白氨基酸残基的微小变化也可导致其亲和力和生物活性发生显著改变，从而改善其治疗特性。例如，2005年被FDA批准用于治疗类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）的Fc融合蛋白药物阿巴西普，其功能蛋白为细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白-4（cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4, CTLA-4）的胞外段。对CTLA-4进行定点突变、替换氨基酸残基（A29Y/L104E）得到的贝拉西普，与CD80和CD60的结合显著增强[16-17]。2011年，贝拉西普被批准上市，用于抑制器官移植排斥反应[18]。IL-2-Fc三重突变体（IL-23XFc，R38D/K43E/E61R）与CD25的结合被抑制，优先促进CD25-CD122high MP（memory-phenotyp）CD8和NK细胞的增殖，活性、选择性较IL-2WTFc和IL-2/mAb复合物明显提高[19]。
2 重组Fc融合蛋白的分子设计 2.1 Fc骨架亚型的选择不同的IgG亚型与FcγRs的亲和力不同，导致其免疫学活性存在差异。hIgG的4个亚型中，IgG1、IgG3与Ⅰ型FcγRs（FcγRⅠ、FcγRⅡA、FcγRⅡB、FcγRⅡC、FcγRⅢA、FcγRⅢB）的亲和力较高，目前关于重组Fc融合蛋白药物的研究多选用IgG1。由于IgG3的铰链区较长，易被蛋白酶水解，半衰期较短，导致其药用功能的开发受到阻碍[20-21]。但有研究[20]发现，IgG3-FcR435H突变体与FcRn的结合明显强于非突变体，体内半衰期接近IgG1，对肺炎链球菌感染小鼠有强效保护作用。因此，当功能蛋白的存在会阻断IgG1-Fc与FcRs结合，而限制IgG1-Fc活性时，有较长铰链区的IgG3-FcR435H突变体将成为最佳的替代性选择[22]。而hIgG2和hIgG4的Fc段与FcγRs、C1q的亲和力较弱，因此可以用于自身免疫性疾病及异体移植排斥反应等需要免疫抑制治疗的疾病药物开发。
除IgG-Fc之外，以其他免疫球蛋白Fc段为骨架的Fc融合蛋白可靶向适应性免疫细胞上的FcRs。例如，主要存在于黏膜组织的IgA与FcαR相互作用可诱导强烈抑制信号和凋亡信号，阻断其他受体的激活，因此，以IgA-Fc为骨架的融合蛋白可被开发，用于黏膜部位抗炎[23-24]。而能够与B、T（CD4+、CD8+）及NK细胞结合并刺激记忆反应的IgM-Fc段是疫苗中最佳的天然佐剂[25]。IgE-Fc的受体表达在APCs（包括大部分DCs）表面。相关研究表明，抗原-IgE-Fc融合蛋白可能在基于细胞的肿瘤疫苗中有特殊用途[26]，IgE-Fc段也可用于抑制过敏反应的药物研究[27]。这些疫苗策略向临床的安全转化还需进行全面深入评估。
2.2 糖基化的选择由Fc段糖基化的不同所导致的结构差异会影响Fc段与FcγRs、补体蛋白、FcRn等配体的结合，进而影响后续的ADCC、CDC效应及血浆半衰期。Fc段CH2结构域Asn297位的N-连接聚糖是一个核心七糖结构，包括4个N-乙酰基-葡萄糖胺和3个甘露糖残基及数目可变的半乳糖、岩藻糖、唾液酸残基，这些糖基是Fc段发挥生物学功能所必需的[28]，因此糖基化也被认为是治疗性抗体类药物的关键质量属性（critical quality attributes，CQA）[29]。Fc段N-聚糖核心结构可在酶作用下被修饰为不同的糖基化结构，主要分为核心岩藻糖基化、末端唾液酸化、甘露糖基化等[30]。
Shields等[31]研究发现，相比于非岩藻糖基化的IgG，岩藻糖基化的Fc段所介导的ADCC效应被降低100倍，而CDC活性无变化。另外，在重组Fc融合蛋白中，唾液酸的含量越高，同样会导致Fc段与FcγRs的亲和力降低，从而抑制ADCC活性[32]。然而，经研究[33]发现，末端唾液酸化的IgG型抗体体内半衰期被显著延长。因此，当融合蛋白中Fc段仅起到延长功能蛋白半衰期的作用时，可选择岩藻糖基化、唾液酸化修饰，抑制Fc段的ADCC活性，减少不良反应。然而，与唾液酸化恰好相反，甘露糖基化所具有的缩短半衰期和增强ADCC效应的双重属性使其更适用于临床急性感染的控制。甘露糖基化的融合蛋白在体内清除病原体后，与肝脏巨噬细胞表面的甘露糖受体结合，被快速代谢，避免了药物长时间在体内残留可能出现的脱靶毒性[34]。如何精确地选择并控制各种糖基化及其在Fc融合蛋白分子中所占比例，在药效学与药代动力学之间达到最佳平衡，对其成药性至关重要，是目前此类药物开发中需要考虑的重要问题。
2.3 Fc段的FcRn高亲和力突变体良好的药代动力学特性是抗体类药物相比于传统药物的一大优势。得益于Fc段与FcRn的结合保护作用，Fc融合蛋白的半衰期较普通蛋白分子明显改善，但仍不及IgG型全长抗体（3周）[2]。因此，进一步改善Fc融合蛋白的药代动力学也是其药物开发重点关注的问题。借助基因工程平台技术，对融合蛋白的Fc段进行氨基酸定点突变，改善Fc段与FcRn的亲和力，可得到更为长效稳定的突变体。例如，阿斯利康制药有限公司研制的呼吸道合胞病毒（respiratory syncytial virus，RSV）靶向抗体莫维珠单抗（motavizumab），其“YTE”突变体（M252Y/S254T/T256E）motavizumab-YTE，在pH6.0时与FcRn的亲和力较非突变体增强10倍，在健康人体内半衰期可达100 d，约为非突变体的4倍[35]。Motavizumab-YTE的265位谷氨酸（Glu, E）侧链酸根基团的氧原子与FcRn-Q2残基侧链的氨基之间形成稳定的氢键；而254、252位分别突变为苏氨酸（Thr, T）和酪氨酸（Tyr, Y）之后，引入了新的甲基和苯环，增强了Fc段与FcRn疏水残基（L82、Y88、L112）的疏水相互作用。Zheng等[36]将丁酰胆碱酯酶BChE（内源性可卡因代谢酶）的突变体CocH3的1~529位与hIgG1-Fc段融合，在“YTE”突变的基础上再进行A530V/D671E/L673M突变，得到CocH3-Fc(M6)变体，与FcRn的亲和力显著增强。CocH3-Fc在小鼠体内的半衰期约为4 d，而M6变体的半衰期长达9 d。
3 重组Fc融合蛋白的应用 3.1 Fc融合蛋白类药物与传统生物制剂相比，Fc融合蛋白类药物半衰期长、特异性良好、靶点种类多、临床应用广泛等优势已得到广泛认可[37]。1998年，FDA批准了第1个Fc融合蛋白类药物——依那西普，用于RA、强直性脊柱炎（ankylosing spondylitis，AS）的治疗，疗效显著。目前，已有13种此类药物被FDA批准用于肿瘤、自身免疫性疾病、血液病、炎性疾病、移植排斥的治疗（表 1）[6]，还有大量药物正处于临床前或不同的临床研究阶段，涉及感染、药物成瘾等多个研究方向。
| 商品名 | 药品名 | 结构 | 配体 | 适应证 | 批准年份（批准机构） | 公司 |
| Strensip | asfotase alfa | ALPL-Fc | 矿化组织 | 低磷酸脂酶症 | 2015年（FDA） | 亚力兄 |
| Trulicity | 杜拉鲁肽 （dulaglutide） |
GLP-1类似物-Fc | GLP-1R | 2型糖尿病 | 2014年（FDA） | 礼来 |
| Elocatate | efmoroctocog alfa | FⅧ-Fc | BCF | A型血友病 | 2014年（FDA） | 百健艾迪 |
| Alprolix | eftrenonacog alfa | FⅨ-Fc | BCF | A型血友病 | 2014年（FDA） | 百健艾迪 |
| 朗沐 | 康柏西普 （conbercept) |
VEGFR1-VEGFR2-Fc | VEGF | 湿性年龄相关性黄斑变性 | 2013年（CFDA） | 康弘 |
| Zaltrap | 阿柏西普 (ziv-afibercept) |
VEGFR1-VEGFR2-Fc | VEGF-A、VEGF-B、PIGF | 转移性结直肠癌 | 2012年（FDA） | 赛诺菲/再生元 |
| Nulojix | 贝拉西普 （belatacept） |
CTLA-4 -Fc |
CD80、CD86 | 器官排斥反应 | 2011年（FDA） | 百时美施贵宝 |
| Eylea | 阿柏西普 (afibercept) |
VEGFR1-VEGFR2-Fc | VEGF-A、VEGF-B、PIGF | 湿性老年黄斑变性 | 2011年（FDA） | 再生元 |
| Arcalyst | 利纳西普 (rilonacept) |
IL-1R及辅助蛋白-Fc | IL-1 | Cryopyin蛋白-周期性综合征 | 2008年（FDA） | 再生元 |
| Nplate | 罗米思亭 (romiplostim) |
TPBP-Fc | TPOR | 慢性免疫性血小板减少性紫癜 | 2008年（FDA） | 安进/辉瑞 |
| Orencia | 阿巴西普(abatacept) | CTLA-4-Fc | CD80、CD86 | 类风湿性关节炎 | 2005年（FDA） | 百时美施贵宝 |
| Amevive | 阿法赛特(alefacept) | LFA-3-Fc | CD2 | 慢性斑块型银屑病 | 2003年（FDA） | 安斯泰来 |
| Enbrel | 依那西普 (etanercept) |
TNFR2-Fc | 水溶性和膜TNF | 类风湿性关节炎、银屑病关节炎 | 1998年（FDA） | 安进/辉瑞 |
血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是一种高特异性的促血管内皮细胞生长因子，诱导新生血管形成，可分为A、B、C、D、E和PLGF 6种亚型。将VEGF-A、VEGF-B受体的胞外段通过TNT序列串联后，与hIgG1-Fc的铰链区N端融合形成的多特异性融合抗体阿柏西普（aflibercept, AFL）是VEGF受体拮抗剂。AFL与VEGF-A、VEGF-B、PLGF结合，阻断这些因子与其内源性受体的结合与活化，从而抑制新生血管形成，发挥直接的抗肿瘤活性。AFL还可用于治疗新生血管引起的眼科疾病，给药方式因患者疾病的不同而有差异，Zaltrap和Eylea这2种药物中所含的AFL相同，但配比不同[38]。前者用于治疗对含奥沙利铂方案耐药的转移性结直肠癌，后者则在2011年被FDA批准用于治疗wAMD和视网膜静脉阻碍或糖尿病引起的黄斑水肿。
3.1.2 长效GLP-1R激动剂美国礼来公司研发的长效胰高血糖素样肽-1受体（glucagon like peptide-1 receptor，GLP-1R）激动剂杜拉鲁肽[39]由天然GLP-1突变体（A8G/A22E/R36G）以3段重复的GGGGS氨基酸序列为linker与hIgG4的Fc段的N端连接，单体再通过铰链区链间二硫键形成二聚体（图 1）。GLP-1突变体弥补了天然GLP-1易被DPP-4降解失活的缺点，且活性与内源性GLP-1相似，激活GLP-1R，以血糖依赖的方式促进胰岛β细胞分泌胰岛素，并抑制胰岛α细胞分泌胰高血糖素，维持血糖稳定，避免了传统降糖药可能导致低血糖的风险，且体内半衰期可延长至5 d[40]。2014年9月，经FDA批准，杜拉鲁肽皮下注射液正式上市，用于治疗成人2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus, T2DM）。除单用形式外，杜拉鲁肽还可与二甲双胍、磺脲类、噻唑烷二酮或者膳食胰岛素联用，在有良好饮食计划和定期体育锻炼的患者中，药效更优。
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| 图 1 杜拉鲁肽示意图 |
Fc融合蛋白的功能分子大多在Fc段铰链区的N端与其融合。但血小板生成素受体激动剂罗米思亭（Nplate）的分子结构（图 2）较为特殊，2个血小板生成素结合肽（thrombopoietin-binding peptide，TPBP）经8个甘氨酸串联形成多肽，再通过由5个甘氨酸组成的linker与Fc段CH3区域的C端融合[41]。TPBP的序列（IEGPTLRQWLAARA）不同于天然血小板生成素（thrombopoietin，TPO）的主要序列，是通过多种生物方法筛选而来的一段共同序列，与TPO竞争性结合血小板生成素受体（TPOR）[42]，TPBP对TPOR的亲和力高，可有效促进巨核细胞的增殖和成熟[43]。2008年，FDA批准罗米思亭用于慢性免疫性血小板减少性紫癜（immune thrombocytopenic purpura, ITP）治疗。
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| 图 2 罗米思亭示意图 |
抗原-Fc融合蛋白可特异性靶向APCs表面的FcRs，这一特性是其在疫苗领域中应用的基础。通过CH2-CH3结构的链间二硫键可将单体Fc融合蛋白构建为可携带12个抗原分子的六聚体，与APCs的受体交叉连接，提升抗原呈递效率。Fc段与特定抗原融合已经成为一种新型的黏膜疫苗接种策略，用于预防传染性疾病[44]，例如流感（HA-HuFc）[45]、单纯疱疹病毒（HSV，gD-Fc）[44]、结核病（ESAT6:HspX: Fc）[46]、猪瘟病毒（E2-Fc）[47]。Zhang等[48]将RSV的F糖蛋白与IgG的Fc段融合形成六聚体F-Fc融合蛋白，以TLR4激动剂单酰磷脂A(MPL)为佐剂联合免疫小鼠，可减轻RSV感染后的肺部损伤。
3.3 静脉免疫球蛋白疗法Fc段的唾液酸残基与抑制性非经典FcγRs相互作用，如DC特异性细胞间黏附分子3-整合素（DC-SIGN）或鼠源同系物SIGN-R1、B细胞表面的CD22（Siglec-2），诱导APCs表达FcγRIIB，抑制APCs的抗原呈递功能[49]，介导IVIG的抑制作用。Fc结构域的CH2结构域存在混杂的致耐受性表位，有学者[50]提议将其命名为“Tregitopes”，其中一些Tregitopes与FcγR、FcRn的结合位点存在交叠。降解后的IgG-Fc经MHC-Ⅱ类分子处理并呈递后，限制性活化Treg细胞。这一结果与IgG-Fc参与诱导耐受性的多重机制的理论相符合。总之，包括FcγR依赖型、非依赖型在内的多重作用机制，通过Fc结构域的耐受性诱导活性，介导IVIG的抗炎活性。
3.4 非临床应用随着Fc融合蛋白临床应用的快速发展，其非临床应用也受到了广泛关注，如流式细胞术、免疫组化、蛋白质芯片设备等[51]。哺乳动物细胞内存在一些难以表达的蛋白质，可将其与IgG3的Fc段融合形成构建体，增强蛋白质的稳定性，达到稳定生产的目的[52]。在蛋白质微阵列应用中，Fc融合蛋白被整合到具有支架的多价络合物中，例如Protein-G/A微珠，作为鉴别新型低亲和力蛋白质相互作用的高通量方法，弥补了质谱和酵母双杂交技术无法检测低亲和力结合现象的缺陷。
综上所述，重组Fc融合蛋白具有更精准的靶向性，特异性强、稳定性良好。然而仅将天然的功能蛋白与Fc段融合已不能满足各种复杂疾病的临床治疗需求。重组Fc融合蛋白类药物的开发可合理应用合成生物学技术，改善天然位点，开发全人造抗原结合位点，对Fc段进行定点突变、糖基化、脱酰胺化改造，以期望得到药效学、药代动力学性质优异且不良反应少的重组Fc融合蛋白类药物。另外，以融合蛋白为基础的CAR-T细胞免疫疗法、双特异性抗体以及多价、多特异性抗体的迅速发展更是为肿瘤、自身免疫性疾病、重症感染等临床疾病提供了新的治疗措施与方向。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。
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