Knobs-into-Holes Engineering Enables Assembly of Bispecific Anti-HER2/Anti-HER3 Antibodies in Transient Plant Expression System

癌症治疗通常依赖于抗体，这些抗体是呈Y形的蛋白质，其作用就像高度特异性的钥匙。这些“钥匙”旨在契合癌细胞表面的“锁”，从而阻断告诉肿瘤生长或生存的信号。多年来，科学家一直致力于开发只针对一种特定“锁”的抗体。然而，癌细胞非常聪明；它们通常能找到绕过单一封锁的方法，从而导致治疗失败。为了解决这个问题，研究人员现在正尝试构建“双特异性”抗体。这些是经过工程化设计的分子，可以同时抓住两个不同的“锁”，从而有效地在两个地方同时切断癌细胞的通信线路。虽然这种方法前景广阔，但制造这些复杂的分子非常困难。在传统的制造过程中，抗体的各个部分经常会发生混淆，以错误的组合拼接在一起，从而产生无用的产品。

来自中央大学的研究团队及其合作者发现了一种利用植物构建这些双靶向“钥匙”的新方法。他们专注于某些乳腺癌中发现的两种特定“锁”，即 HER2 和 HER3。当这两个“锁”联手时，它们会发出强烈的信号，促进癌症生长并增强对标准治疗的耐药性。科学家们想要创造一种能够同时结合 HER2 和 HER3 的单一抗体。为此，他们采用了被称为“凸凹结合”（Knobs-into-Holes）工程的方法。想象一下试图将两个拼图块拼在一起；如果两个块的形状相同，它们可能会与自身的副本而非预期的伙伴扣在一起。研究人员对抗体部分进行了修改，使一侧有一个突出的“凸起”（knob），而另一侧有一个匹配的“凹槽”（hole）。这种设计迫使两个不同的抗体链正确配对，防止它们与其同类发生聚集。

团队将这些修改后的抗体部分的遗传指令引入了一种常见的土壤细菌——农杆菌（Agrobacterium）中。然后，他们利用这种细菌将指令直接传递到一种名为本茎烟草（Nicotiana benthamiana）的植物叶片中，这种植物是常用于研究的烟草植物的近亲。这种被称为“瞬时表达”的过程，使植物细胞能够暂时充当微型工厂，读取 DNA 并生产蛋白质。研究人员测试了两种抗体指令的不同混合比例，以观察哪种比例能产生最好的结果。他们发现，当他们按特定的比例混合指令时，植物细胞成功组装出了这种复杂的双靶向抗体。在注射后的第七天，蛋白质的产量达到了顶峰。

为了确认植物确实制造了正确的抗体，科学家们从叶片中提取了蛋白质并进行了分析。他们使用了一种按大小分离蛋白质的技术，结果显示植物生产出的分子具有预期中正确配对抗体的精确重量。这个分子的重量比单个抗体部分重，但比两个分开的抗体粘在一起时要轻，这证明了这两个不同的链已经连接成了一个单一且统一的结构。随后，团队使用一种类似于针对此类特定蛋白质的“磁铁”柱，从植物汁液中纯化了该抗体。最终产物非常洁净，可以进行测试。

研究人员接着检查了这种植物制造的抗体是否真的能发挥作用。他们将抗体与含有 HER2 蛋白和 HER3 蛋白的样本接触。测试表明，该抗体成功抓住了这两个目标。它与 HER3 结合紧密，并牢牢抓住了 HER2，证实了尽管经过了复杂的工程化处理，该分子仍保留了识别这两个“癌细胞锁”的能力。为了理解为什么抗体能结合得如此稳固，团队使用计算机模拟来建模该分子的结构。这些模拟显示，“凸凹结合”的设计创造了一个比未修改部分形成的连接要稳定得多的连接。计算机模型表明，这种特定的配对在能量上是有利的，这意味着这两个部分自然倾向于以科学家预期的这种方式结合在一起。

这项研究表明，植物可以用作高效的工厂来生产这些复杂的“二合一”抗体。通过将“凸凹结合”策略与植物生产相结合，研究人员能够绕过常见的部件错误混合的问题。研究结果表明，这种方法可以成为开发既有效又可能比动物细胞制造更便宜的新型癌症疗法的可行路径。这项工作证实了植物系统可以处理组装双特异性抗体的复杂任务，为植物制造药物的未来发展打开了大门。