本模块你将学会
建议第 8 周学 01–05(免疫原理与抗体结构),第 9 周学 06–11(抗体制备、检测、药物与工作应用)。
- 说清三道防线和四种主要免疫器官,区分先天免疫与适应性免疫,认出主要免疫细胞(含调节性 T 细胞和记忆细胞),知道细胞因子、补体是什么
- 分清抗原、免疫原、表位(线性与构象)、半抗原与载体蛋白、佐剂,理解 MHC I/II 类抗原呈递和免疫耐受
- 讲清一次完整的适应性免疫应答:克隆选择、B 细胞需要 T 细胞帮助、初次与再次应答,以及五类疫苗的原理
- 解释抗体多样性从何而来:V(D)J 重组、轻重链配对、连接多样性、体细胞高频突变与亲和力成熟、类别转换
- 画出 IgG 结构,说出 Fab、Fc、CDR 与框架区、铰链区、κ/λ 轻链的意义;比较五类抗体;解释四种效应功能、FcRn 和 KD
- 比较多抗、单抗、重组抗体,了解噬菌体展示、转基因小鼠、单 B 细胞、纳米抗体、Protein A/G/L 纯化与抗体测序
- 看懂四种 ELISA、WB、IHC/IF、流式、IP 和试纸条,会用标准曲线算浓度,理解抗体验证与交叉反应
- 能从传统药名判断抗体来源,说出抗体药的几类作用机制和"靶点"的含义,并听懂客户的抗体相关需求
01免疫系统总览:三道防线与"免疫军队"
免疫系统的核心任务:识别并清除"非己"(病原体、异常细胞),同时不伤害"自己"。
免疫系统不是一个器官,而是一张遍布全身的网络:由免疫器官、免疫细胞和免疫分子(抗体、补体、细胞因子等)三个层次组成。它面对的"敌人"包括细菌、病毒、真菌、寄生虫,也包括身体里癌变或被感染的细胞。本节先搭一个总框架,后面各节再逐层展开。
免疫失衡会带来三类问题:反应太弱是免疫缺陷(如艾滋病毒破坏 CD4⁺ T 细胞导致的艾滋病);对无害物质反应过度是过敏;把"自己"当成敌人攻击是自身免疫病(如类风湿关节炎、1 型糖尿病)。后面你会看到,很多抗体药物正是为了纠正这些失衡而设计的。
三道防线
挡在门外
皮肤、呼吸道与消化道黏膜、黏液和纤毛、胃酸、泪液和唾液中的溶菌酶,以及皮肤和肠道里的正常菌群。绝大多数病原体在这里就被拦住了。
快速、广谱的"巡逻队"
吞噬细胞、NK 细胞、补体系统(血液中 30 多种协同作用的蛋白)、干扰素和炎症反应。几分钟到几小时内启动,对各种入侵者"一视同仁"。
精准打击 + 永久档案
B 细胞(产生抗体)和 T 细胞。能识别特定分子,初次启动需要数天,但会留下免疫记忆,下次更快、更强。
先天免疫 vs 适应性免疫
第二、三道防线分别叫先天免疫(innate immunity,也叫固有免疫)和适应性免疫(adaptive immunity,也叫获得性免疫)。前者生来就有、反应快但"认得粗";后者要在接触抗原后才逐步建立,慢但精准,而且会"记仇"。下表是两者最核心的区别:
| 先天免疫 | 适应性免疫 | |
|---|---|---|
| 反应速度 | 快:几分钟到几小时 | 慢:初次应答需要约 4–7 天才充分起效 |
| 识别方式 | 用"模式识别受体"(如 Toll 样受体)识别一大类病原体共有的分子特征 | 每个 B/T 细胞带有独一无二的受体,识别某个特定分子的特定部位 |
| 特异性 | 低,"认类别" | 极高,"认个体" |
| 免疫记忆 | 传统上认为没有(近年发现有一定"训练"效应) | 有,是疫苗起效的基础 |
| 主要细胞 | 中性粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞、NK 细胞等 | B 细胞、浆细胞、T 细胞 |
| 主要分子 | 补体、干扰素、抗菌肽、细胞因子 | 抗体、T 细胞受体(TCR) |
先天免疫怎么知道"这是坏人"?病原体身上有一些人体细胞没有的"制服特征",统称病原相关分子模式(PAMP),例如革兰氏阴性菌外膜的脂多糖(LPS)、细菌鞭毛蛋白、病毒的双链 RNA。免疫细胞上的模式识别受体(PRR)专门"认制服",最著名的是 Toll 样受体(TLR)家族。它们只能认出"这是一类细菌/病毒",认不出"这是哪一种",所以先天免疫特异性低。
两者不是各干各的,而是紧密协作。适应性免疫的启动离不开先天免疫:树突状细胞在感染部位吞下病原体,把它带到淋巴结交给 T 细胞(第 03 节);先天免疫发出的"危险信号"也决定适应性免疫要不要启动、启动多强。反过来,抗体产生之后又能帮先天免疫干活:给病原体"贴标签"方便吞噬细胞吞噬、激活补体(第 05 节)。
Toll 样受体各认什么?以及 2011 年诺贝尔奖
TLR 家族分工明确:TLR4 识别 LPS,TLR5 识别鞭毛蛋白,TLR3 识别双链 RNA,TLR9 识别细菌 DNA 中未甲基化的 CpG 序列。一些疫苗佐剂就是模仿这些"制服特征"设计的。
2011 年诺贝尔生理学或医学奖授予博伊特勒(Beutler)和霍夫曼(Hoffmann),表彰他们对先天免疫激活机制的发现;同年另一半奖授予斯坦曼(Steinman),表彰他发现树突状细胞及其在适应性免疫中的作用。
免疫器官:免疫细胞在哪里出生、受训和作战
免疫器官分两类:中枢免疫器官是免疫细胞"出生和受训"的地方(骨髓、胸腺);外周免疫器官是成熟免疫细胞"驻扎、集结和作战指挥"的地方(淋巴结、脾脏,以及扁桃体、肠道和呼吸道黏膜下的淋巴组织)。
| 器官 | 类型 | 主要作用 | 一句话记忆 |
|---|---|---|---|
| 骨髓 | 中枢 | 所有血细胞(包括全部免疫细胞)都由骨髓里的造血干细胞产生;B 细胞在骨髓中发育成熟;部分长寿浆细胞也"定居"在骨髓里持续分泌抗体 | "兵工厂 + B 细胞军校" |
| 胸腺 | 中枢 | 位于胸骨后方。T 细胞的前体从骨髓迁来,在胸腺中"受训"成熟(T 就取自 thymus);对"自己"反应过强的 T 细胞在这里被淘汰。胸腺在青春期后逐渐萎缩 | "T 细胞军校" |
| 淋巴结 | 外周 | 沿淋巴管分布的数百个"小豆子",过滤从组织流回的淋巴液。树突状细胞把抗原带到这里,与 T、B 细胞"开会",适应性免疫应答主要在这里启动。感染时附近淋巴结常会肿大 | "过滤站 + 作战会议室" |
| 脾脏 | 外周 | 人体最大的淋巴器官,负责过滤血液:清除衰老红细胞和血液中的病原体,也是 B、T 细胞对血源性抗原作出应答的场所。制备杂交瘤时取的正是免疫小鼠的脾 B 细胞(第 06 节) | "血液过滤器" |
所有免疫细胞(白细胞)都起源于骨髓中的造血干细胞,再分化成两大谱系:髓系(中性粒细胞、单核/巨噬细胞、树突状细胞、肥大细胞等)和淋巴系(B 细胞、T 细胞、NK 细胞)。成熟后,它们随血液和淋巴循环在全身巡逻,并在淋巴结、脾脏中集结。
免疫细胞家族
下面的"阵容图"画出了 8 种最常见的免疫细胞,可以点击看详细介绍;图下的速查表把它们(以及调节性 T 细胞、记忆细胞等)的要点全部列出来,后面各节都会用到。
点击每个细胞,了解它的职责和"军队角色"。上排属于先天免疫,下排属于适应性免疫。
中性粒细胞
角色:冲在最前的步兵。血液中数量最多的白细胞,约占一半以上。感染发生后最先被招募到现场,靠吞噬和释放杀菌物质消灭细菌和真菌,还能吐出由 DNA 和蛋白编织的"网"(NETs)缠住病原体。
寿命很短(在血液中以小时计),战死后大量堆积就是脓。属于先天免疫。
巨噬细胞
角色:大胃王 + 清道夫 + 报警员。由血液中的单核细胞进入组织后分化而来,能吞噬细菌、死细胞和碎片(图中小泡里就是一个被吞进的细菌)。它还分泌细胞因子发出"炎症警报",并能把抗原呈递给 T 细胞。
吞噬作用由梅契尼科夫(Metchnikoff)在 19 世纪末发现,他与埃尔利希(Ehrlich)分享了 1908 年诺贝尔生理学或医学奖。
树突状细胞(DC)
角色:情报员,连接先天与适应性免疫的桥梁。长着许多"触手",在皮肤、黏膜等组织中采集抗原(图中红点),然后迁移到淋巴结,把抗原碎片"展示"给 T 细胞,是激活初始 T 细胞能力最强的专职抗原呈递细胞。
斯坦曼(Steinman)1973 年发现了树突状细胞,并因此获得 2011 年诺贝尔生理学或医学奖。
NK 细胞(自然杀伤细胞)
角色:巡逻的杀手。属于淋巴细胞,但不需要预先"见过"敌人。它检查身边细胞表面有没有正常的 MHC I 类分子("身份证"):病毒感染或癌变的细胞常会减少 MHC I,NK 细胞就会释放穿孔素和颗粒酶将其杀死("丢失自我"识别)。
NK 细胞表面的 Fc 受体 CD16 能识别结合在靶细胞上的抗体,这就是抗体药物常用的 ADCC 杀伤机制(第 05 节)。
B 细胞
角色:抗体的源头。在骨髓中成熟。每个 B 细胞表面带有大量完全相同的 B 细胞受体(BCR),其实就是锚定在膜上的抗体(图中的小 Y)。不同 B 细胞的 BCR 各不相同。
B 细胞能直接识别天然状态的抗原(蛋白、多糖等),被激活后增殖并分化为浆细胞和记忆 B 细胞。它也能作为抗原呈递细胞,把抗原展示给辅助 T 细胞以获得"帮助"。
浆细胞
角色:抗体工厂。由激活的 B 细胞分化而来,不再在表面展示抗体,而是全力分泌。细胞核偏向一侧,胞质里塞满粗面内质网(M1 讲过:分泌蛋白在这里合成和折叠)。
多数浆细胞只存活几天到几周;少数"长寿浆细胞"定居在骨髓里,可以持续分泌抗体很多年,这是一些疫苗保护长久的原因之一。
辅助性 T 细胞(CD4⁺)
角色:指挥官。在胸腺中成熟,表面有 CD4 分子,识别 MHC II 类分子呈递的抗原肽。被激活后分泌细胞因子,帮助 B 细胞产生高质量抗体、帮助 CD8⁺ T 细胞和巨噬细胞更有效地杀伤。
艾滋病毒(HIV)专门感染并破坏 CD4⁺ T 细胞,"指挥官"被消灭后,整个免疫系统都会瘫痪。
细胞毒性 T 细胞(CD8⁺)
角色:特种杀手。表面有 CD8 分子,识别 MHC I 类分子呈递的抗原肽。一旦发现某个细胞在展示病毒蛋白或肿瘤相关的异常蛋白片段,就通过穿孔素、颗粒酶等让它凋亡。
CAR-T 细胞疗法就是给 T 细胞装上人工设计的受体,让它去识别肿瘤(M7 详细讲)。
| 细胞(归属) | 主要职责 | 补充要点 |
|---|---|---|
| 中性粒细胞 先天 · 髓系 | 血液中数量最多的白细胞(约占一半以上),感染后最先赶到现场,吞噬并杀灭细菌、真菌 | 寿命很短,大量战死堆积就是脓 |
| 巨噬细胞 先天 · 髓系 | 由血液中的单核细胞进入组织后分化而来;吞噬病原体和死细胞,分泌细胞因子发出"炎症警报" | 也能把抗原呈递给 T 细胞 |
| 树突状细胞(DC) 先天 · 髓系 | 在组织中采集抗原,迁移到淋巴结呈递给 T 细胞,是激活初始 T 细胞能力最强的专职抗原呈递细胞 | 先天与适应性免疫之间的"桥梁" |
| NK 细胞(自然杀伤细胞) 先天 · 淋巴系 | 不需要预先"见过"敌人,专门杀伤表面 MHC I 类分子减少的病毒感染细胞和癌细胞,靠释放穿孔素和颗粒酶让靶细胞死亡 | 表面的 Fc 受体 CD16 能识别结合在靶细胞上的抗体,这就是 ADCC(第 05 节) |
| 肥大细胞、嗜碱性粒细胞 先天 · 髓系 | 颗粒中储存组胺等物质,表面有能牢牢抓住 IgE 的受体 | 过敏反应的"执行者" |
| B 细胞 适应性 · 淋巴系 | 表面带有 B 细胞受体(BCR),也就是锚在膜上的抗体,能直接识别天然抗原;被激活后分化为浆细胞和记忆 B 细胞 | 在骨髓中成熟;也能把抗原呈递给辅助 T 细胞 |
| 浆细胞 适应性 · 淋巴系 | 由激活的 B 细胞分化而来的"抗体工厂",不再展示抗体而是大量分泌 | 胞质里塞满粗面内质网(M1);少数长寿浆细胞可分泌抗体多年 |
| 辅助性 T 细胞(CD4⁺ T) 适应性 · 淋巴系 | "指挥官":识别 MHC II 类分子呈递的抗原肽,分泌细胞因子,帮助 B 细胞产生抗体、帮助 CD8⁺ T 细胞和巨噬细胞杀伤 | HIV 专门破坏它,导致艾滋病 |
| 细胞毒性 T 细胞(CD8⁺ T) 适应性 · 淋巴系 | "特种杀手":识别 MHC I 类分子呈递的抗原肽,用穿孔素、颗粒酶杀死被病毒感染的细胞和肿瘤细胞 | CAR-T 就是改造过的 T 细胞(M7) |
| 调节性 T 细胞(Treg) 适应性 · 淋巴系 | "维和部队 / 刹车":抑制过度或针对自身的免疫反应,维持免疫耐受(第 02 节) | 属于 CD4⁺ T 细胞的一个亚群,常用 CD25 和转录因子 FOXP3 标记;功能缺陷会导致严重的自身免疫病 |
| 记忆 B 细胞、记忆 T 细胞 适应性 · 淋巴系 | 一次应答结束后留下来的"老兵",数量多、寿命长、激活门槛低,再遇到同一抗原时迅速反应 | 疫苗起效的基础(第 03 节) |
CD 分子:给细胞表面标志编号
你会不断看到"CD4⁺ T 细胞""抗 CD20 抗体"这类说法。CD 是 cluster of differentiation(分化簇)的缩写,是国际统一给细胞表面标志分子的编号,按发现顺序编到了 CD300 以上。数字本身没有含义,只是"编号";右上角的 ⁺ 表示"表达这个分子",⁻ 表示"不表达",例如 CD4⁺ 就是"表面有 CD4 的细胞"。
- CD3:所有 T 细胞的标志;CD4 / CD8:区分辅助性 T 和细胞毒性 T;
- CD19、CD20:B 细胞的标志;CD56:常用来标记 NK 细胞;CD16:NK 细胞等表面的一种 Fc 受体;
- 用途一:流式细胞术用不同荧光标记的抗 CD 抗体给细胞"贴标签",区分和计数各类细胞(第 07 节);
- 用途二:很多 CD 分子是药物靶点,例如利妥昔单抗针对 CD20,很多 CAR-T 产品针对 CD19(第 08 节、M7)。
细胞因子与炎症
免疫细胞之间靠细胞因子(cytokine)"发短信":这是一大类由细胞分泌的小分子蛋白,作用于自身或其他细胞表面的受体,调节免疫细胞的生长、分化和活性。主要家族有:
- 白细胞介素(IL,简称白介素):编号很多,例如 IL-2 促进 T 细胞增殖,IL-6 推动炎症和发热;
- 干扰素(IFN):被病毒感染的细胞会分泌,让周围细胞进入"抗病毒状态";
- 肿瘤坏死因子(TNF-α):强效的促炎因子,类风湿关节炎等自身免疫病中过量;
- 趋化因子:像"信号弹",把免疫细胞吸引到感染部位。
炎症是先天免疫在局部的集中表现:巨噬细胞等发现入侵者后释放细胞因子,让局部血管扩张、通透性增加,血浆和白细胞(首先是中性粒细胞)涌入组织,于是出现红、肿、热、痛。适度的炎症帮助清除病原体、启动修复;过度或持续的炎症则伤害自身,严重时出现大量细胞因子失控释放的"细胞因子风暴"(M7 讲 CAR-T 时还会遇到)。
补体系统:血液里的"多米诺骨牌"
补体(complement)是血液中 30 多种蛋白组成的系统,大多由肝脏合成,平时处于"待命"的无活性状态。一旦被触发,这些蛋白会像多米诺骨牌一样依次切割、激活下一个,信号逐级放大,这叫补体级联反应。名字的意思是它能"补充"抗体的杀菌作用。
触发补体有三条途径:经典途径由结合在抗原上的抗体启动(补体蛋白 C1q 结合抗体的 Fc 端),这是抗体"借刀杀人"的方式之一;另外两条途径(凝集素途径、旁路途径)可以直接被病原体表面触发,不需要抗体,所以补体同时属于先天免疫。补体激活后有三大作用:
- 调理作用:补体片段 C3b 覆盖在病原体表面,像"请吃我"的标签,吞噬细胞更容易把它吞掉;
- 招募与炎症:释放出的小片段(如 C3a、C5a)吸引更多免疫细胞,加剧局部炎症;
- 打孔溶解:最后几个补体蛋白在病原体或靶细胞膜上组装成膜攻击复合物(MAC),打出孔洞,使细胞破裂。
抗体通过补体杀伤靶细胞的作用叫补体依赖的细胞毒作用(CDC),是抗体药物的效应机制之一(第 05 节)。
把每个细胞、分子或特征放进它所属的防线。
先天免疫
适应性免疫
本节要点
- 免疫系统有三道防线:物理化学屏障、先天免疫(快速、广谱、靠模式识别受体"认类别")、适应性免疫(较慢、高度特异、有记忆),后两者相互依赖。
- 骨髓和胸腺是中枢免疫器官(B 细胞在骨髓、T 细胞在胸腺成熟);淋巴结过滤淋巴、脾脏过滤血液,是适应性应答启动的外周器官。
- 主要免疫细胞:中性粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞、NK 细胞属先天免疫;B 细胞、浆细胞、CD4⁺ 辅助 T、CD8⁺ 细胞毒 T、调节性 T 和记忆细胞属适应性免疫。
- CD 是细胞表面标志分子的统一编号,"⁺"表示表达,既用于流式区分细胞,也常是药物靶点。
- 细胞因子是免疫细胞之间传递信号的小分子蛋白(IL、IFN、TNF-α、趋化因子),驱动炎症的红肿热痛。
- 补体是 30 多种血浆蛋白的级联系统,可被抗体(C1q 结合 Fc)或病原体直接触发,作用是调理、招募炎症细胞和形成膜攻击复合物打孔。
02抗原、表位与抗原呈递
免疫系统"看"到的到底是什么?B 细胞和 T 细胞看的方式完全不同。
抗原、免疫原、半抗原:先把几个词分清
| 术语 | 含义 | 例子 |
|---|---|---|
| 抗原(antigen) | 能被抗体或 T 细胞受体特异性识别的物质,通常是蛋白质,也可以是多糖、脂类、核酸或小分子 | 病毒刺突蛋白、细菌荚膜多糖、客户的目标蛋白 |
| 免疫原(immunogen) | 不仅能被识别,还能引发免疫应答的抗原。所有免疫原都是抗原,但不是所有抗原都是免疫原 | 注射给兔子、能诱导出抗体的重组蛋白 |
| 半抗原(hapten) | 能被抗体识别、自己却不足以引发应答的小分子;偶联到大的载体蛋白上才能诱导出针对它的抗体 | 某些药物、激素、农药残留,以及短肽 |
| 表位(epitope) | 抗原上真正被抗体或 T 细胞受体结合的那一小块区域,也叫抗原决定簇 | 蛋白表面某一段或某一块 |
一种物质"免疫原性"强不强,主要看几点:异物性(与宿主自身的分子差别越大越强,所以动物对自己的蛋白一般不产生抗体);分子大小与复杂度(大而结构复杂的蛋白通常较强,小分子和短肽很弱);能否被加工并提供 T 细胞表位(第 03 节会讲为什么这一点很关键);以及剂量、免疫途径和是否使用佐剂。
表位:线性表位与构象表位
抗体并不是"抱住"整个抗原,而只结合抗原表面一小块区域,也就是表位,大小相当于几个到十几个氨基酸。一个蛋白表面有许多表位,所以同一个蛋白可以诱导出很多种识别不同部位的抗体。按组成方式,蛋白上的表位分两种:
- 线性表位(也叫连续表位):由一段连续的氨基酸构成。只要这段序列在,蛋白变性(被 SDS 加热拆散成长链)后它仍然存在。
- 构象表位(也叫不连续表位):由序列上相隔很远的几段氨基酸组成,靠蛋白折叠才在空间上聚到一起。它依赖天然三维结构,蛋白一变性就消失。天然蛋白表面被抗体识别的表位,大多数是构象表位。
这对制备抗体有直接影响:化学合成的短肽在溶液里没有天然蛋白那样固定的三维结构,所以用多肽免疫得到的抗体基本只识别线性表位。这样的抗体在 WB 这类变性条件下往往很好用;但如果这段序列在天然蛋白中埋在内部或构象不同,抗体就可能认不出天然蛋白。
半抗原与载体蛋白
小分子和短肽为什么"自己不行"?原因在于 B 细胞被充分激活需要辅助 T 细胞的"帮助",而 T 细胞只能识别从较大的蛋白里切出来、由 MHC 分子展示的肽段(见下文)。小分子没有可供 T 细胞识别的部分,短肽能提供的也很有限。解决办法是把它们化学偶联到一个大的外源蛋白上,这个蛋白叫载体蛋白(carrier protein):B 细胞识别半抗原或多肽,载体蛋白负责提供 T 细胞表位,两者"打包"在一起,B 细胞就能得到帮助(第 03 节详细讲这种"联动")。
- KLH(钥孔血蓝蛋白):来自一种海洋软体动物(钥孔䗴),分子量很大,与哺乳动物亲缘关系远、异物性强,是免疫用载体的首选。
- BSA(牛血清白蛋白):便宜、易溶,也常作载体;另一个常见用途是检测时的"对照载体"。
- OVA(卵清蛋白)等也可作载体。
一个实用细节:免疫时用的是"多肽-KLH",动物也会产生大量针对 KLH 本身的抗体。所以检测血清效价时,常改用"多肽-BSA"或游离多肽包被 ELISA 板,避免把抗 KLH 的抗体误当成阳性。小分子半抗原(药物、激素、农残)也是同样的思路,它们的检测通常用竞争法 ELISA(第 07 节)。
佐剂:给免疫"加把火"
纯化的蛋白、多肽或灭活病原体太"干净",缺少能惊动先天免疫的危险信号,单独注射往往反应很弱。佐剂(adjuvant)是和抗原一起使用、本身不是抗原、但能增强免疫应答的成分。它的作用大致有两方面:一是让抗原在注射部位缓慢释放,延长刺激时间;二是激活先天免疫,招募并"唤醒"树突状细胞等,使它们更有效地呈递抗原(这正是 T 细胞激活所需的"第二信号",见下文)。
- 铝盐(铝佐剂):人用疫苗中使用历史最长、最常见;另有 MF59(一种水包油乳剂)等新型佐剂。
- 弗氏佐剂:只用于动物免疫制备抗体。完全弗氏佐剂含灭活的分枝杆菌,刺激很强,多用于首次免疫;加强免疫时改用不含分枝杆菌的不完全弗氏佐剂。
T 细胞只看"展示柜":MHC 与抗原呈递
B 细胞和抗体可以直接识别天然抗原。T 细胞却不行:它的受体(TCR,T 细胞受体)只能识别被切成短肽、并装在 MHC 分子(主要组织相容性复合体)上展示出来的抗原。这个"切碎 + 装柜 + 展示"的过程叫抗原呈递。MHC 分两类:MHC I 类几乎每个有核细胞都有,展示的是细胞内部合成的蛋白;MHC II 类只在少数几种专门负责呈递的细胞上有,展示的是从细胞外部吞进来的蛋白。这类专门的细胞叫专职抗原呈递细胞(APC):树突状细胞、巨噬细胞和 B 细胞。
人类的 MHC 也叫 HLA(人类白细胞抗原),基因位于 6 号染色体,是人类基因组中多态性最高的区域之一,这也是器官移植要做"配型"的原因。
| MHC I 类 | MHC II 类 | |
|---|---|---|
| 谁表达 | 几乎所有有核细胞(成熟红细胞没有细胞核,不表达) | 专职抗原呈递细胞:树突状细胞、巨噬细胞、B 细胞 |
| 呈递什么 | 细胞内部合成的蛋白(自身蛋白、病毒蛋白、肿瘤突变蛋白) | 从细胞外部吞进来的蛋白(细菌、病毒颗粒、可溶性蛋白) |
| 肽段在哪里被切 | 细胞质中的蛋白酶体切碎,肽段进入内质网装柜 | 内体/溶酶体中降解后装柜 |
| 结合槽 | 两端封闭,只容纳短肽 | 两端开放,肽段可以伸出去 |
| 肽段长度 | 较短,通常 8–10 个氨基酸 | 较长,常见 13–25 个氨基酸 |
| 给谁看 | CD8⁺ 细胞毒性 T 细胞 | CD4⁺ 辅助性 T 细胞 |
| 结果 | 发现异常 → 杀死这个细胞 | 激活"指挥官" → 调动 B 细胞、巨噬细胞等 |
T 细胞激活要"两把钥匙",还有"刹车"
初始 T 细胞仅仅看到"MHC + 抗原肽"(信号 1)还不够,还需要抗原呈递细胞提供共刺激信号(信号 2,例如 APC 上的 B7 分子与 T 细胞上的 CD28 结合)。APC 只有在感受到危险信号(病原体特征、佐剂)时才会大量表达 B7。只有信号 1 没有信号 2,T 细胞反而会进入"无反应"状态。这是一道双重保险,防止 T 细胞误伤自身。
T 细胞被激活后,还会表达一些"刹车"分子,统称免疫检查点,最著名的是 CTLA-4 和 PD-1:它们与对应的配体结合后会抑制 T 细胞,防止免疫反应过度。很多肿瘤细胞会在表面大量表达 PD-1 的配体 PD-L1,主动"踩刹车",让来攻击的 T 细胞失去战斗力。用抗体挡住 PD-1 或 PD-L1,就能"松开刹车",让 T 细胞重新攻击肿瘤,这就是免疫检查点抑制剂(第 08 节)。艾利森(Allison)与本庶佑(Honjo)因此获得 2018 年诺贝尔生理学或医学奖。
交叉呈递:外来抗原也能上 MHC I
树突状细胞有一种特殊本领叫交叉呈递:把从外部吞进来的抗原也装到 MHC I 上,从而激活 CD8⁺ T 细胞。这样,即使病毒没有直接感染树突状细胞,它也能"教会"CD8⁺ T 细胞去杀伤被感染的细胞。这对抗病毒和抗肿瘤免疫、以及疫苗设计都很重要。
把每条描述放进正确的类别。
MHC I 类
MHC II 类
自身与非自身:免疫耐受
B 细胞和 T 细胞的受体是随机拼出来的(第 04 节),其中必然有一部分恰好识别"自己"的分子。免疫系统靠免疫耐受来避免攻击自身,即对自身成分"不应答"。耐受分两层:
- 中枢耐受:在"军校"里淘汰。T 细胞在胸腺中发育时,对自身肽-MHC 结合过强的细胞会被清除(阴性选择);B 细胞在骨髓中发育时,强烈识别自身分子的细胞也会被清除,或改造受体、或被"关闭"。
- 外周耐受:漏网之鱼在外周继续被管住。例如缺少第二信号的 T 细胞进入无反应状态;调节性 T 细胞(Treg)主动抑制针对自身的反应。
耐受被打破,就会发生自身免疫病,如类风湿关节炎、1 型糖尿病。反过来,如果免疫系统对肿瘤"耐受"了,就会放任肿瘤生长,检查点抑制剂正是去打破这种状态。
本节要点
- 抗原是能被特异识别的物质,免疫原是还能引发应答的抗原;半抗原(小分子、短肽)只能被识别,需偶联 KLH、BSA 等载体蛋白才能诱导抗体。
- 表位是抗原上被结合的一小块:线性表位是一段连续氨基酸,变性后仍在;构象表位依赖三维折叠,变性即消失;多肽抗原诱导的抗体基本只识别线性表位,适合 WB。
- 佐剂(如铝盐、弗氏佐剂)通过缓释抗原和激活先天免疫来增强应答。
- T 细胞只识别 MHC 展示的短肽:MHC I 类在几乎所有有核细胞上展示胞内蛋白给 CD8⁺ T;MHC II 类在专职 APC(DC、巨噬细胞、B 细胞)上展示外来蛋白给 CD4⁺ T。
- T 细胞激活需要抗原信号加共刺激信号;PD-1、CTLA-4 等免疫检查点是"刹车",阻断它们可释放 T 细胞攻击肿瘤。
- 免疫耐受(胸腺/骨髓中的清除加上外周的 Treg 等)让免疫系统不攻击自身;耐受失败导致自身免疫病,也解释了保守蛋白难以在小鼠中免疫成功。
03一次完整的免疫应答与疫苗
把前两节的"演员"串成一场完整的战役:以一次细菌感染为例。
点击"下一步"或"自动播放"。左边是感染部位,右边是附近的淋巴结。
① 病原体突破第一道防线
细菌从伤口进入组织。皮肤和黏膜这道城墙被打开了缺口,接下来轮到身体内部的防御。
② 先天免疫与炎症:几分钟到几小时
组织里的巨噬细胞先发现细菌(靠模式识别受体认出 LPS 等"制服"),一边吞噬一边释放细胞因子;局部血管扩张、通透性增加,出现红、肿、热、痛,大量中性粒细胞被招募过来。补体也被激活。与此同时,树突状细胞吞下细菌碎片。
③ 树突状细胞把"情报"送到淋巴结
吞了抗原的树突状细胞逐渐成熟,经淋巴管迁移到附近的淋巴结。淋巴结里聚集着大量初始 T 细胞和 B 细胞,就像一个"情报交换中心"。
④ 激活辅助性 T 细胞
树突状细胞用 MHC II 呈递抗原肽,并提供共刺激信号。在成千上万个 T 细胞中,只有 TCR 恰好匹配的那几个被激活,开始大量增殖(克隆扩增),成为"指挥官"。
⑤ 指挥官调兵:帮助 B 细胞和 CD8⁺ T 细胞
B 细胞用 BCR 直接抓到同一抗原,把它切碎后用 MHC II 呈递,被同一抗原激活的辅助 T 细胞认出后,通过 CD40L 等分子和细胞因子给予"许可"。辅助 T 细胞也帮助 CD8⁺ T 细胞充分激活。
⑥ B 细胞扩增、分化为浆细胞,分泌抗体
被选中的 B 细胞大量增殖,一部分分化为浆细胞,开始分泌抗体(先以 IgM 为主);另一部分进入生发中心进行"亲和力成熟"(第 04 节)。抗体通过淋巴和血液到达感染部位。
⑦ 清除病原体
抗体结合细菌:中和毒素、给细菌贴上"请吃我"的标签(调理作用)方便吞噬、激活补体在细菌膜上打孔。如果是病毒感染,CD8⁺ T 细胞还会直接杀死被感染的细胞。
⑧ 收兵,留下记忆
病原体清除后,大部分效应细胞凋亡,炎症消退。少数记忆 B 细胞和记忆 T 细胞长期存活,长寿浆细胞在骨髓中持续分泌少量抗体。下次遇到同一病原体,反应会快得多。
把动画里的关键环节说清楚
- 先天免疫先上,并把"情报"交给适应性免疫。巨噬细胞和中性粒细胞在几分钟到几小时内开始清除细菌、引发炎症;树突状细胞吞下抗原,经淋巴管迁移到附近淋巴结。
- 克隆选择与克隆扩增。淋巴结里有成千上万种初始 T、B 细胞,每个只认一种表位。只有受体恰好匹配的极少数被"选中",然后在几天内分裂成成千上万个一模一样的细胞(一个"克隆")。这就是初次应答需要约一周的原因(第 04 节详细讲克隆选择学说)。
- 辅助性 T 细胞居中指挥。树突状细胞用 MHC II 呈递抗原肽并提供共刺激信号,激活对应的 CD4⁺ T 细胞;它们再去帮助 B 细胞和 CD8⁺ T 细胞。
- 两条"作战路线"同时展开:B 细胞分化为浆细胞分泌抗体(体液免疫);CD8⁺ T 细胞杀死被感染的细胞(细胞免疫),见下面三张卡片。
- 收兵并留下记忆。病原体清除后,绝大多数效应细胞凋亡,少数记忆 B、T 细胞和长寿浆细胞长期存留。
B 细胞 + 抗体
抗体在血液、组织液和黏膜中工作,擅长对付细胞外的病原体和毒素。"体液"指血液等体液。
T 细胞直接出手
CD8⁺ T 细胞杀死被感染的细胞,擅长对付躲在细胞内的病毒和胞内菌,也是抗肿瘤免疫的主力。
辅助性 T 细胞
两条路线都离不开 CD4⁺ T 细胞的"指挥"。这也是 HIV 破坏 CD4⁺ T 后会导致全面免疫缺陷的原因。
B 细胞活化需要 T 细胞帮助
对大多数蛋白抗原来说,B 细胞光靠自己"看见"抗原是不够的,它需要两步才能被完全激活:
- 信号 1:BCR 抓住抗原。B 细胞用表面的 BCR 直接识别天然抗原上的某个表位,并把整个抗原吞进细胞。
- 信号 2:辅助 T 细胞"批准"。B 细胞把吞进来的抗原切成肽段,用 MHC II 展示出来。之前已被同一抗原激活的辅助 T 细胞认出这些肽段后,通过表面的 CD40L 分子与 B 细胞的 CD40 结合,并分泌细胞因子,B 细胞才会大量增殖、进行类别转换和亲和力成熟,并形成记忆。
关键在于:B 细胞和帮它的 T 细胞必须识别同一个抗原分子,但可以识别这个分子上不同的部位(B 细胞认表面表位,T 细胞认里面切出的肽段),这叫"联动识别"。这正是半抗原—载体策略能成功的原因:B 细胞识别多肽或小分子,T 细胞识别同一个偶联物里 KLH 的肽段,两者"打包"在一起,B 细胞就拿到了帮助。
初次应答 vs 再次应答
| 初次应答(第一次接触) | 再次应答(再次接触同一抗原) | |
|---|---|---|
| 由谁启动 | 数量很少的初始 B、T 细胞,需要先被选中再扩增 | 数量多、激活门槛低的记忆细胞 |
| 滞后期 | 长,约 4–7 天甚至更久 | 短,通常 1–3 天 |
| 抗体水平 | 峰值较低,下降较快 | 峰值高出许多倍,维持更久 |
| 主要抗体类别 | IgM 先出现,之后才逐渐出现 IgG | 以 IgG 为主 |
| 亲和力 | 较低 | 较高(经过亲和力成熟) |
为什么IgM 先、IgG 后?因为初始 B 细胞一开始表达的就是 IgM(第 04 节),而换成 IgG 的"类别转换"需要辅助 T 细胞的帮助和几天时间。所以临床上检测到某种病原体的特异性 IgM,常提示近期感染;只有 IgG 则多提示既往感染或接种过疫苗。
再次应答的抗体不仅"多",而且"好":记忆 B 细胞在第一次应答中已经过亲和力成熟和类别转换,结合更紧(第 04 节)。这就是免疫记忆:记忆 B 细胞、记忆 T 细胞以及骨髓中的长寿浆细胞可以存活数年到数十年,保护时间因病原体和疫苗而异。
这条曲线是理解疫苗、加强针和动物免疫方案的钥匙:第一次接种(或免疫动物)只是"建立档案",加强免疫才能把抗体水平和亲和力推上去。制备抗体时给兔子或小鼠多次免疫,道理完全相同。衡量血清里抗体多少,常用效价(滴度,titer):把血清不断倍比稀释,看稀释到多少倍时仍能检出特异性抗体,例如"效价 1:64 000",数字越大说明抗体越多。效价通常用间接 ELISA 测定(第 07 节)。
疫苗:提前"演习"一次
疫苗的原理就是让免疫系统在没有真正生病的情况下,先经历一次"初次应答",留下记忆细胞。1796 年,英国医生詹纳(Jenner)用牛痘接种预防天花,开创了疫苗时代;1980 年,世界卫生组织宣布天花被消灭。现代疫苗的种类很多,区别在于"给免疫系统看什么":
| 类型 | 给免疫系统看什么 | 优点 | 局限 |
|---|---|---|---|
| 灭活疫苗 | 被化学方法或加热杀死的完整病原体 | 不能复制,安全性好 | 免疫原性较弱,通常要佐剂和多次接种;以抗体应答为主 |
| 减毒活疫苗 | 毒力被削弱、仍能在体内有限复制的病原体 | 最接近自然感染,免疫强而持久,常一两剂即可 | 免疫功能严重低下的人一般不宜接种 |
| 亚单位疫苗 | 病原体中最关键的一种或几种蛋白(或多糖),常用基因工程表达;包括重组蛋白、病毒样颗粒、类毒素、结合疫苗 | 成分明确、安全 | 单独使用较弱,通常需要佐剂 |
| 病毒载体疫苗 | 把抗原基因装进无害或复制缺陷的病毒(常用腺病毒),由载体把基因送进细胞表达 | 能较好地激活细胞免疫 | 人体对载体病毒的"预存免疫"会削弱效果 |
| mRNA 疫苗 | 编码抗原的 mRNA(用脂质纳米颗粒 LNP 包裹),由人体细胞自己生产抗原 | 研发和改造速度快,能同时激活抗体和 T 细胞应答 | 对储存温度等要求较高 |
点击下面的标签页,可以看到每类疫苗的代表产品和相关历史。
用化学方法(如甲醛、β-丙内酯)或加热把病原体杀死,保留其外形和抗原。安全性好,不能复制,但免疫原性相对较弱,通常需要佐剂和多次接种。
例子:注射用脊髓灰质炎灭活疫苗(IPV)、部分新冠疫苗、甲肝灭活疫苗。
使用毒力被削弱、但仍能在体内有限复制的病原体,最接近自然感染,免疫效果强而持久,往往一两剂即可。缺点是免疫功能严重低下的人一般不宜接种。
例子:麻疹-腮腺炎-风疹联合疫苗(MMR)、卡介苗(BCG)、口服脊髓灰质炎减毒活疫苗(OPV)。
只用病原体中最关键的一种或几种蛋白(或多糖)作为抗原,常用基因工程在细胞中表达(M4、M5 的技术)。安全、成分明确,通常需要佐剂。
- 重组蛋白疫苗:乙肝疫苗用的是在酵母等细胞中表达的乙肝表面抗原(HBsAg)。
- 病毒样颗粒(VLP):HPV 疫苗用病毒的 L1 衣壳蛋白自组装成"空壳",外形像病毒却没有遗传物质;不同产品分别用酵母、昆虫细胞或大肠杆菌表达。
- 类毒素疫苗:把细菌毒素灭活成无毒的"类毒素",如破伤风、白喉疫苗。
不直接给抗原,而是给编码抗原的 mRNA(用脂质纳米颗粒 LNP 包裹),让人体自己的细胞生产抗原蛋白(M3 的中心法则在疫苗中的直接应用)。开发和改造速度快。
2020 年新冠 mRNA 疫苗获得紧急使用授权。卡里科(Karikó)与韦斯曼(Weissman)因发现核苷碱基修饰可降低 mRNA 引起的炎症反应,获得 2023 年诺贝尔生理学或医学奖。
把目标抗原的基因装进一个无害或复制缺陷的病毒(常用腺病毒)中,由载体把基因送入细胞表达抗原。能较好地激活细胞免疫。
例子:多款腺病毒载体新冠疫苗;以水疱性口炎病毒(VSV)为载体的埃博拉疫苗。载体本身会引起免疫反应,这也是"预存免疫"会削弱效果的原因(M7 讲病毒载体时还会遇到)。
灭活和亚单位疫苗为什么常要加佐剂?回顾第 02 节:它们太"干净",缺乏能激活先天免疫的危险信号,佐剂(如铝盐)帮助提供这种信号并延长抗原刺激时间。减毒活疫苗、病毒载体和 mRNA 疫苗本身就带有较强的"危险信号",通常不需要额外佐剂。
本节要点
- 一次适应性应答的主线:先天免疫先上,树突状细胞把抗原带到淋巴结,激活辅助 T 细胞,再由它帮助 B 细胞和 CD8⁺ T 细胞,最后留下记忆。
- 体液免疫靠 B 细胞和抗体对付细胞外的病原体与毒素;细胞免疫靠 CD8⁺ T 细胞杀死被感染的细胞;两者都依赖 CD4⁺ 辅助 T 细胞。
- 克隆选择:只有受体匹配的少数淋巴细胞被选中并扩增成克隆,所以初次应答需要约一周。
- B 细胞对蛋白抗原的完全活化需要辅助 T 细胞帮助(CD40L 与细胞因子),B、T 细胞须识别同一抗原分子的不同部位,这是载体蛋白和结合疫苗的原理。
- 初次应答滞后长、IgM 先出现、峰值低、亲和力低;再次应答由记忆细胞启动,快、强、持久,以高亲和力 IgG 为主,这也是加强免疫的依据。
- 疫苗让免疫系统预先经历初次应答;五大类型为灭活、减毒活、亚单位、病毒载体和 mRNA 疫苗,灭活和亚单位疫苗通常需要佐剂。
04抗体多样性:有限的基因如何应对无限的抗原
人类基因组只有约 2 万个蛋白编码基因,却能产生针对几乎任何分子的抗体。这是 20 世纪免疫学最大的谜题之一。
克隆选择学说:不是"量体裁衣",而是"从库存里挑"
早期有人认为,抗原像模具一样"教会"抗体折叠成互补的形状。1957 年,澳大利亚科学家伯内特(Burnet)提出了后来被证实的克隆选择学说:
先有库存
在遇到抗原之前,体内已经存在海量 B 细胞,每个细胞只表达一种特异性的受体。
抗原来挑
抗原进入后,只有受体恰好匹配的少数细胞被选中、激活。
克隆扩增
被选中的细胞大量增殖,形成一个"克隆"(遗传上完全相同的细胞群),分化为浆细胞和记忆细胞。
清除"内鬼"
发育早期识别自身成分的细胞会被清除或"关闭",这叫免疫耐受。
V(D)J 重组:像拼积木一样组装抗体基因
那么"上亿把钥匙"的库存从哪来?答案是:抗体基因不是现成的一整段,而是由多组"零件"随机拼出来的。1976 年,日本科学家利根川进用实验证明,B 细胞在发育过程中会切开并重新连接 DNA。他因"发现抗体多样性产生的遗传学原理"独自获得 1987 年诺贝尔生理学或医学奖。
具体来说,重链的可变区由三类基因片段拼成:V(variable,可变)、D(diversity,多样)和 J(joining,连接),每类在基因组里都有许多个"备选零件"。B 细胞在骨髓中发育时,由 RAG 酶切开 DNA,先随机选 1 个 D 接到 1 个 J 上,再随机选 1 个 V 接上 DJ,中间的 DNA 被永久删除,这叫 V(D)J 重组。轻链只有 V 和 J 两类片段,而且有 κ 和 λ 两套轻链基因可选。拼好的可变区再接上恒定区基因,就成为一条完整的抗体链。
多样性来自四个层面的叠加:
- 组合多样性:重链从多个 V、D、J 片段中各选一个,轻链从多个 V、J 中各选一个;
- 连接多样性:切开和连接时,接口处会随机丢失或增加几个核苷酸(如末端脱氧核苷酸转移酶 TdT 随机添加核苷酸),这让接口正好所在的重链 CDR3(CDR 是可变区中直接接触抗原的环区,第 05 节)成为整个抗体中变化最大的区域;
- 重链与轻链配对:任意一条重链可以和任意一条轻链组合;
- 体细胞高频突变:B 细胞被激活后,可变区还会继续发生突变(见下文)。
到底能拼出多少种?(数量级估计)
按教科书常用的近似值,人类重链约有 40 个有功能的 V、约 23 个 D、6 个 J,组合约 5000 多种;κ 轻链约 40 个 V × 5 个 J,λ 轻链约 30 个 V × 4 个 J,合计约 300 多种轻链组合。重链与轻链再配对,仅组合多样性就约为 106 数量级。
再加上连接处的随机增删,理论上可能产生的抗体种类常被估计在 1011 以上。这些都是数量级估计,不同教科书和文献给出的数字差别很大,理解"组合 × 随机连接 × 配对 × 突变"的思路比记住数字更重要。
T 细胞受体(TCR)也用几乎相同的 V(D)J 机制产生多样性,负责切割 DNA 的都是 RAG1/RAG2 蛋白。RAG 基因缺陷的人无法产生成熟的 B 和 T 细胞,会患严重联合免疫缺陷(SCID)。
体细胞高频突变与亲和力成熟:抗体的"选秀淘汰赛"
V(D)J 重组得到的抗体只是"初版",与抗原的结合往往不够紧。被激活的 B 细胞在淋巴结的生发中心里一边快速分裂,一边让可变区基因以远高于基因组其他区域的速率发生突变,这叫体细胞高频突变。突变是随机的:有的让结合变弱,有的让结合变强。
接下来是竞争:生发中心里的抗原数量有限,辅助 T 细胞(滤泡辅助 T 细胞)的"帮助"也有限。结合抗原更紧的 B 细胞能抢到更多抗原、获得更多帮助而存活;结合弱的则凋亡。经过多轮"突变—选择",抗体的平均亲和力不断提高,这就是亲和力成熟。它解释了为什么再次应答的抗体"质量"更高,也解释了为什么动物免疫需要多次加强。
类别转换:同一个"弹头",换一个"发射平台"
B 细胞最初产生的是 IgM(以及膜上的 IgD)。在辅助 T 细胞的信号(如 CD40L 与 B 细胞 CD40 的结合,以及不同细胞因子)指导下,B 细胞会把可变区"接"到另一个恒定区基因上,改为产生 IgG、IgA 或 IgE,这叫类别转换。这个过程通过删除中间的 DNA 完成,是不可逆的。
关键点:类别转换只换恒定区,不换可变区,所以抗体识别的抗原不变,改变的是它"怎么干活":去哪里(血液还是黏膜)、能结合哪些受体、能否激活补体、能否穿过胎盘。
用 ↑↓ 按钮把事件排成正确的先后顺序,然后点"检查顺序"。
- 在骨髓中进行 V(D)J 重组,产生独一无二的 B 细胞受体
- 经过自身耐受筛选,识别自身成分的细胞被清除或"关闭"
- 进入淋巴结等外周器官,遇到恰好匹配的抗原而被选中(克隆选择)
- 获得辅助性 T 细胞的帮助,开始增殖
- 在生发中心发生体细胞高频突变,高亲和力克隆被优先保留(亲和力成熟)
- 分化为分泌抗体的浆细胞,或长期存活的记忆 B 细胞
本节要点
- 克隆选择学说:遇到抗原之前体内已有海量 B 细胞,每个只表达一种受体;抗原只"挑中"匹配的细胞,使其扩增成克隆;识别自身的细胞在发育早期被清除(免疫耐受)。
- V(D)J 重组:重链从多个 V、D、J 片段中各随机选一个拼接,轻链(κ 或 λ)从 V、J 中各选一个,由 RAG 酶切开并重接 DNA,每个 B 细胞只产生一种抗体。
- 多样性来源可概括为四层:组合多样性、连接多样性(接口处随机增删核苷酸,使重链 CDR3 最多变)、重链与轻链随机配对、体细胞高频突变。
- 亲和力成熟:激活的 B 细胞在生发中心让可变区高频突变,结合更紧的克隆在竞争中胜出,所以再次应答和多次加强后的抗体亲和力更高。
- 类别转换:在辅助 T 细胞信号指导下,B 细胞把恒定区从 IgM 换成 IgG、IgA 或 IgE,可变区不变,所以识别的抗原不变,改变的是效应功能和分布;它不是多样性的来源。
05抗体的结构与功能
"Y"字形的上半部分负责"认谁",下半部分负责"怎么处理"。
抗体也叫免疫球蛋白(Ig)。最常见的 IgG 由 2 条相同的重链(H)和 2 条相同的轻链(L)通过二硫键连成 Y 字形,分子量约 150 kDa。每条链由若干个约 110 个氨基酸的"免疫球蛋白结构域"串联而成。波特(Porter)和埃德尔曼(Edelman)因阐明抗体的化学结构,分享了 1972 年诺贝尔生理学或医学奖。
数值为教科书常见近似值;IgG3 的半衰期较短,约 1 周。
Y 字形的基本构造
- 四条链,靠二硫键连在一起。两条相同的重链(H)和两条相同的轻链(L)。两个半胱氨酸之间形成的共价键叫二硫键(S–S):两条重链在中部互相连接,每条轻链与一条重链相连;每个结构域内部还各有一个二硫键稳定折叠。还原剂(如 DTT、β-巯基乙醇)会打断二硫键,所以 IgG 在还原 SDS-PAGE 上显示约 50 kDa(重链)和约 25 kDa(轻链)两条带,非还原时则是约 150 kDa 的一条带(M5)。
- 轻链有 κ 和 λ 两型。每条轻链由 VL 和 CL 两个结构域组成,分为 κ(kappa)和 λ(lambda)两型;同一个抗体分子的两条轻链总是同一型。人体中 κ 与 λ 大约为 2:1,小鼠则绝大多数是 κ。
- 可变区与恒定区。每条链最顶端的结构域(重链的 VH、轻链的 VL)叫可变区,不同抗体之间序列差异很大,决定抗体"认谁";其余结构域(CL、CH1、CH2、CH3)叫恒定区,同一类别、同一物种的抗体基本相同,决定抗体"怎么干活"。重链恒定区的类型(γ、μ、α、ε、δ)决定抗体属于 IgG、IgM、IgA、IgE 还是 IgD。
- CDR 与框架区。每个可变区里有 3 段变化特别大的环区,叫互补决定区(CDR1、CDR2、CDR3),它们在空间上聚在两臂顶端,直接接触抗原。VH 的 3 个加 VL 的 3 个,共 6 个 CDR 构成一个抗原结合位点;一个 IgG 有两个相同的结合位点("二价"),整个分子共 12 个 CDR。CDR 之间较保守的部分叫框架区(FR1–FR4),像"脚手架"一样撑起 CDR 环。抗体人源化的核心"CDR 移植"就是把 CDR 搬到另一套框架上(第 08 节)。
- Fab 与 Fc。每条"臂"由一整条轻链加上重链的 VH 和 CH1 构成,叫 Fab(抗原结合片段,约 50 kDa),负责结合抗原;"柄"由两条重链的 CH2 和 CH3 构成,叫 Fc(可结晶片段),不结合抗原,而是负责对接免疫系统(Fc 受体、补体 C1q、FcRn)以及被 Protein A/G 结合。用木瓜蛋白酶在铰链区附近切割 IgG,得到 2 个 Fab 和 1 个 Fc;用胃蛋白酶切则得到两臂仍相连的 F(ab')₂。
- 铰链区。位于 CH1 和 CH2 之间的一段柔性肽链,让两条臂像剪刀一样张合、转动,可以同时结合距离不同的两个表位。不同 IgG 亚类的铰链长度不同,IgG3 最长。
- 糖链。每条重链 CH2 上的第 297 位天冬酰胺(Asn297)连着一条 N-糖链。糖型影响 Fc 的效应功能,例如去掉糖链上的核心岩藻糖能显著增强 ADCC(见下文),是抗体药的关键质量属性之一。
点击结构域、标签或彩色标记,逐个认识 10 个关键部位。点"重链""轻链""Fab"等标签时,对应的所有结构域会一起发光。
重链(H 链)
每个 IgG 有两条相同的重链,每条约 50 kDa,由 VH、CH1、铰链、CH2、CH3 组成。
重链恒定区的类型(γ、μ、α、ε、δ)决定抗体属于 IgG、IgM、IgA、IgE 还是 IgD。
轻链(L 链)
两条相同的轻链,每条约 25 kDa,由 VL 和 CL 两个结构域组成。
轻链分 κ(kappa)和 λ(lambda)两型,同一个抗体分子的两条轻链总是同一型。人体中 κ 与 λ 大约为 2:1,小鼠则以 κ 为主。
可变区(VH 与 VL)
位于两臂顶端。不同抗体之间,这里的序列差异很大,决定抗体"认谁"。一个 VH 和一个 VL 配对,构成一个抗原结合位点;IgG 有两个相同的结合位点,所以是"二价"的。
客户说"抗体测序",通常就是测出 VH 和 VL 的序列:拿到它们,就等于拿到了这个抗体的"配方"。
恒定区(CL、CH1、CH2、CH3)
同一类别、同一物种的抗体,恒定区序列基本相同。恒定区决定抗体"怎么干活":与哪些 Fc 受体、补体结合,在体内停留多久。
嵌合抗体、人源化抗体就是把小鼠抗体的恒定区换成人的(第 08 节)。
CDR(互补决定区)
每个可变区里有 3 段变化特别大的环区,叫 CDR1、CDR2、CDR3,它们在空间上聚在可变区顶端,直接接触抗原(图中红色条纹为示意)。
VH 的 3 个 + VL 的 3 个 = 6 个 CDR 构成一个抗原结合位点;一个 IgG 有两个结合位点,共 12 个 CDR。其中重链 CDR3 正好位于 V(D)J 连接处,多样性最高。CDR 之间较保守的部分叫框架区(FR1–FR4),起支撑作用。抗体人源化的核心就是"CDR 移植"。
Fab(抗原结合片段)
每条"臂"由一整条轻链加上重链的 VH 和 CH1 构成,称为 Fab(fragment antigen-binding),约 50 kDa。
用木瓜蛋白酶在铰链区附近切割 IgG,得到 2 个 Fab 和 1 个 Fc;用胃蛋白酶在铰链区二硫键下方切割,则得到两臂仍相连的 F(ab')₂。这些经典的酶切实验帮助人们弄清了抗体结构。
Fc(可结晶片段)
由两条重链的 CH2 + CH3 组成。它不结合抗原,而是负责"对接"免疫系统:结合吞噬细胞和 NK 细胞上的 Fc 受体、结合补体 C1q,引发清除和杀伤。
Fc 与新生儿 Fc 受体(FcRn)结合,可使 IgG 免于在细胞内被降解,因此半衰期长达约 3 周。Protein A / Protein G 也结合 Fc,这正是抗体纯化最常用的亲和层析(M5)。
铰链区
位于 CH1 和 CH2 之间的一段柔性肽链,富含脯氨酸和半胱氨酸。它让两条臂可以像剪刀一样张合、转动,从而同时结合两个距离不同的表位。
不同 IgG 亚类的铰链长度不同,IgG3 的铰链最长。
二硫键(S–S)
两个半胱氨酸之间形成的共价键,把 4 条链"焊"在一起:两条重链在铰链区相连(IgG1 有 2 个),每条轻链与重链之间各有 1 个;此外每个结构域内部还有 1 个链内二硫键稳定折叠。
还原剂(如 DTT、β-巯基乙醇)会打断二硫键,所以还原 SDS-PAGE 上 IgG 显示约 50 kDa(重链)和 25 kDa(轻链)两条带,非还原时则是约 150 kDa 的一条带(M5)。
N-糖基化位点(Asn297)
每条重链 CH2 结构域上的第 297 位天冬酰胺(Asn297,EU 编号)连接一条 N-糖链,两条糖链藏在两个 CH2 之间,帮助维持 Fc 的构象。
糖型显著影响效应功能:例如核心岩藻糖缺失可明显增强 ADCC,这已被用于改造部分上市抗体。糖型由生产细胞和培养工艺决定,是抗体药的关键质量属性之一(M1 的糖基化、M7 的生产工艺)。
五类抗体
| 类别(重链) | 结构 | 分布与含量 | 主要功能 |
|---|---|---|---|
| IgG(γ) | 单体,约 150 kDa,2 个结合位点 | 血液和组织液中含量最多,约占血清抗体的四分之三;半衰期长(约 3 周);唯一能经 FcRn 穿过胎盘的类别 | 再次应答的主力;中和、调理、ADCC、激活补体;新生儿的"母传保护"。绝大多数抗体药物是 IgG |
| IgM(μ) | 分泌型为五聚体(约 900 kDa),由 J 链连接,10 个结合位点 | 主要在血液中(分子太大,难以进入组织);初次应答中最早出现;单体形式位于初始 B 细胞表面 | 激活补体能力最强;单个位点亲和力不高,但整体"抓力"(亲合力)很强,擅长凝集病原体 |
| IgA(α) | 血清中多为单体;分泌液中为二聚体,带 J 链和分泌片 | 唾液、泪液、乳汁、肠道和呼吸道黏液中最多;人体每天产生的 IgA 总量超过其他类别之和 | 守卫黏膜,在病原体"进门"前就中和它;母乳中的 IgA 保护婴儿肠道 |
| IgE(ε) | 单体 | 血清中含量极低,大部分牢牢结合在组织中肥大细胞和嗜碱性粒细胞的受体上 | 抗寄生虫(如蠕虫);也是过敏反应的"元凶":过敏原交联 IgE,引发组胺释放 |
| IgD(δ) | 单体 | 血清中含量很低,主要与 IgM 一起出现在初始 B 细胞表面 | 作为 B 细胞受体,确切功能仍在研究中 |
IgG 的四个亚类
人的 IgG 又分为 IgG1、IgG2、IgG3、IgG4 四个亚类(编号按血清中含量从高到低排)。它们的可变区可以完全一样,区别在重链恒定区和铰链区的少量差异,因而结合 Fc 受体、激活补体的能力和半衰期不同。开发抗体药时,"选哪个亚类"直接决定了它会不会杀伤靶细胞。
最多、全能
约占 IgG 的 60%。结合 Fc 受体和激活补体的能力都强,ADCC 明显。大多数需要"杀伤"靶细胞的抗体药物采用 IgG1。
对付多糖
针对细菌荚膜多糖等抗原的应答中较多见。效应功能较弱。
补体激活最强
铰链区最长、最灵活,激活补体能力强,但半衰期较短(约 1 周)。
"安静"的抗体
效应功能很弱,适合只需要"阻断"、不希望杀伤细胞的场景。例如 PD-1 抗体帕博利珠单抗和纳武利尤单抗都是 IgG4,以免误杀被它结合的 T 细胞。
抗体的四种"武器":效应功能
抗体本身不会"杀死"任何东西,它的作用是"认出"目标,然后要么直接挡住目标,要么通过 Fc 把免疫系统的"打手"召集过来。免疫细胞表面能结合抗体 Fc 的受体统称 Fc 受体(结合 IgG 的叫 FcγR)。四种效应功能如下:
| 效应功能 | 靠哪部分 | 怎么起作用 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| ① 中和(neutralization) | Fab | 抗体直接包住病毒表面蛋白或毒素的关键部位,使它无法结合细胞上的受体 | 中和抗体阻止病毒进入细胞;抗毒素中和破伤风毒素 |
| ② 调理作用(opsonization) | Fc | 抗体包裹在病原体表面,像贴上"请吃我"的标签;巨噬细胞、中性粒细胞用 Fc 受体抓住抗体的 Fc,把病原体吞掉(补体片段 C3b 也有同样作用) | 清除细菌;抗体药通过它清除靶细胞时也叫 ADCP(抗体依赖的细胞吞噬) |
| ③ ADCC(抗体依赖的细胞介导的细胞毒作用) | Fc | 抗体结合在靶细胞表面,NK 细胞用 Fc 受体 CD16(FcγRIIIa)识别抗体的 Fc,释放穿孔素和颗粒酶杀死靶细胞。去掉 Fc 糖链的核心岩藻糖可使抗体与 CD16 结合更紧,ADCC 显著增强 | 利妥昔单抗、曲妥珠单抗等杀伤肿瘤细胞 |
| ④ 补体激活 / CDC(补体依赖的细胞毒作用) | Fc | 补体蛋白 C1q 同时结合靶细胞上成簇的多个抗体 Fc,启动补体级联反应,最终在膜上形成膜攻击复合物打孔,使细胞溶解(第 01 节) | 清除细菌;IgM、IgG1、IgG3 激活能力强 |
效应功能是设计抗体药时必须回答的问题:我希望这个抗体只"挡住"靶点,还是要把靶细胞"杀掉"?例如针对 B 细胞表面 CD20 的利妥昔单抗(IgG1)要通过 ADCC 和补体清除淋巴瘤细胞;而 PD-1 抗体只需阻断"刹车"信号,所以选择效应功能弱的 IgG4。工程师还会在 Fc 上做点突变:例如 L234A/L235A("LALA")突变可大幅减弱与 Fc 受体的结合;M252Y/S254T/T256E("YTE")突变可增强与 FcRn 的结合、延长半衰期。
把每个场景放进对应的效应功能。
中和
调理作用
ADCC
补体激活(CDC)
FcRn:IgG 为什么能在体内待约 3 周
血液里的大多数蛋白会被血管内皮等细胞不停地"喝"进去(胞饮),送进酸性的内体,最后在溶酶体里降解,所以很多蛋白的半衰期只有几小时到几天。IgG 却有"免死金牌":它的 Fc 在酸性环境(pH 约 6)中能紧紧结合一种叫新生儿 Fc 受体(FcRn)的分子,被 FcRn 带回细胞表面;到了中性的血液(pH 约 7.4)里,两者分开,IgG 又被放回血液。这样循环往复,IgG 避开了降解,半衰期长达约 3 周(血清白蛋白也靠 FcRn,所以同样长寿)。
FcRn 的另一项工作是把母亲的 IgG 运过胎盘,所以 IgG 是唯一能给胎儿提供"母传保护"的抗体类别,这也是它名字里"新生儿"的由来。
亲和力、亲合力与 KD
客户和文献里经常说"这个抗体亲和力很高,KD 是 0.5 nM"。这里有两个容易混淆的概念:
- 亲和力(affinity):一个结合位点与一个表位之间结合的强弱,是抗体分子本身的"内在属性"。
- 亲合力(avidity):一个多价分子(有多个结合位点)与抗原之间的总体结合强度。IgG 有 2 个位点,IgM 有 10 个。IgM 单个位点的亲和力不高,但 10 个位点同时抓住带有重复表位的病原体表面时,整体很难脱落,就像魔术贴:单个钩子很弱,成千上万个一起就很牢。
亲和力常用平衡解离常数 KD 表示。直观理解:KD 是让一半抗原被抗体结合所需的抗体浓度。需要的浓度越低,说明抗体"抓得越紧",所以 KD 数值越小,结合越紧。它的单位是摩尔浓度:1 nM(纳摩尔)= 10−9 M,1 pM(皮摩尔)= 10−12 M。KD 也等于"解离速率 ÷ 结合速率",可以用表面等离子共振(SPR)或生物膜干涉(BLI)仪器测出这两个速率再算出来。
| KD 量级 | 结合强度 | 常见于 |
|---|---|---|
| 微摩尔(μM,10−6 M) | 较弱 | 初次应答早期、未经亲和力成熟的抗体 |
| 纳摩尔(nM,10−9 M) | 强 | 大多数好用的研究抗体和许多治疗性抗体 |
| 皮摩尔(pM,10−12 M) | 极强 | 经过充分亲和力成熟或体外工程优化的抗体 |
举例:KD = 10 pM 的抗体比 KD = 1 nM 的抗体结合紧 100 倍。不过亲和力并非越高越好,最终要看应用需求,例如有些场景需要抗体能较快解离。
本节要点
- IgG 是约 150 kDa 的 Y 形分子:2 条重链(约 50 kDa)加 2 条轻链(约 25 kDa,分 κ、λ 两型),由二硫键连接,所以还原 SDS-PAGE 显示 50 和 25 kDa 两条带。
- 可变区(VH、VL)决定识别谁,恒定区决定怎么干活和属于哪一类;每个可变区有 3 个 CDR 和 4 个框架区,6 个 CDR 构成一个结合位点,一个 IgG 共 12 个 CDR。
- Fab(轻链加 VH、CH1)负责结合抗原;Fc(两条重链的 CH2、CH3)负责结合 Fc 受体、补体、FcRn 和 Protein A/G;铰链区让两臂灵活。
- 五类抗体:IgG 血清最多、可过胎盘、多数抗体药是 IgG;IgM 五聚体、初次应答最早、补体激活最强;IgA 守卫黏膜;IgE 与过敏和抗寄生虫有关;IgD 主要作 B 细胞受体。IgG1 效应功能强,IgG4 很弱,适合只阻断不杀伤。
- 四种效应功能:中和靠 Fab;调理吞噬、ADCC(NK 细胞经 CD16 杀伤,去岩藻糖可增强)、CDC(C1q 启动补体、膜攻击复合物打孔)都靠 Fc。
- FcRn 在酸性内体中回收 IgG,使其半衰期约 3 周并能穿过胎盘;KD 越小结合越紧,好抗体通常在 nM 到 pM 量级;亲合力是多个位点的总体抓力。
06抗体是怎么做出来的
从"免疫一只兔子"到"在试管里筛出全人源抗体":多抗、单抗、重组抗体三大类产品,以及噬菌体展示、转基因小鼠、单 B 细胞、纳米抗体等发现平台。
多克隆抗体:收获一整支"杂牌军"
把抗原(常加佐剂)多次注射到兔子、山羊、绵羊、豚鼠等动物体内,等血清中抗体水平(效价)足够高后采血,分离出的血清叫抗血清。由于有很多不同的 B 细胞克隆都被激活,血清里是识别同一抗原多个不同表位的抗体混合物,所以叫多克隆抗体(多抗)。通常再用 Protein A/G 纯化出 IgG,或用抗原做亲和纯化,只留下特异结合抗原的那部分。
兔子最常用:体型适中、采血量比小鼠多得多,与人和小鼠的亲缘关系又相对较远,对许多保守蛋白也能产生较好的应答。鸡也是一种选择:抗体(IgY)可以从蛋黄中提取,无需采血。
- 优点:识别多个表位,信号强;对抗原轻微变性、修饰或少量突变不敏感;周期短、成本低;适合 WB、IHC、免疫沉淀等多种研究用途。
- 缺点:批间差异大,一只动物的血清用完就无法复制完全相同的产品;含有多种抗体,交叉反应和背景可能更高;不适合做药。
单克隆抗体:杂交瘤技术
如果能把产生某一种抗体的 B 细胞单独"养"起来,就能源源不断得到完全相同的抗体,即单克隆抗体(单抗):"单克隆"指所有抗体都来自同一个 B 细胞的后代,识别同一个表位。难点是 B 细胞在体外很快死亡。1975 年,科勒(Köhler)和米尔斯坦(Milstein)想到了一个巧妙的办法:把 B 细胞和能无限增殖的骨髓瘤细胞(由浆细胞癌变而来的肿瘤细胞)融合,得到兼具"产抗体"和"永生"两种能力的杂交瘤细胞。两人因此与耶恩(Jerne)分享了 1984 年诺贝尔生理学或医学奖。
杂交瘤流程的核心是四步:
- 免疫:用目标抗原加佐剂多次免疫小鼠,测效价确认应答足够强后,取出富含 B 细胞的脾脏。此时得到的是成千上万种 B 细胞的混合物。
- 细胞融合:用聚乙二醇(PEG)或电融合让脾 B 细胞与骨髓瘤细胞融合。所用骨髓瘤细胞株经过挑选:自身不分泌抗体,并且缺少 HGPRT 酶。融合效率很低,大部分细胞仍是未融合的。
- HAT 筛选:HAT 培养基含次黄嘌呤(H)、氨基蝶呤(A)和胸苷(T)。氨基蝶呤堵住了细胞自己"从头合成"核苷酸的路,细胞只能走需要 HGPRT 酶的"补救途径"。于是:未融合的骨髓瘤细胞缺 HGPRT,死亡;未融合的 B 细胞本来就活不长,也死亡;只有从 B 细胞那里获得 HGPRT、又从骨髓瘤细胞那里获得永生能力的杂交瘤存活下来。
- 筛选与亚克隆:把杂交瘤分到 96 孔板中培养,用 ELISA 等方法检测每孔上清,找出分泌目标抗体的阳性孔(筛选方法要尽量贴近最终用途);再用有限稀释把细胞稀释到平均每孔不到 1 个细胞重新培养,确保长出的细胞群来自单个细胞,即"单克隆"。之后扩大培养、冻存建库、纯化抗体。
下面的动画把这些步骤画了出来:
点击"下一步",看清七个关键环节。当前步骤会高亮显示。
① 免疫小鼠
用目标抗原(加佐剂)多次免疫小鼠。每次加强后取少量血检测效价,确认小鼠体内已产生大量高亲和力的特异性 B 细胞。
② 取脾 B 细胞
脾脏中富含 B 细胞(包括刚被激活的浆母细胞)。取出后制成单细胞悬液。注意:此时得到的是成千上万种不同克隆的混合物,识别不同表位,也包括大量与目标无关的 B 细胞。
③ 与骨髓瘤细胞融合
加入聚乙二醇(PEG)或用电融合,让 B 细胞与小鼠骨髓瘤细胞的细胞膜融合。所用的骨髓瘤细胞株经过挑选:自身不分泌抗体,并且缺失 HGPRT 酶。融合效率很低,大部分细胞仍是未融合的。
④ HAT 选择培养基筛选
HAT = 次黄嘌呤(H)+ 氨基蝶呤(A)+ 胸苷(T)。氨基蝶呤阻断了核苷酸的"从头合成",细胞只能走需要 HGPRT 酶的"补救途径"。未融合的骨髓瘤细胞缺 HGPRT 而死亡;未融合的 B 细胞本来就不能长期存活;只有从 B 细胞那里"借到" HGPRT 基因、又从骨髓瘤那里获得永生能力的杂交瘤存活下来。
⑤ 筛选培养上清
把杂交瘤分到 96 孔板中培养,用 ELISA(或流式等)检测每孔上清是否含有结合目标抗原的抗体。这一步决定了最终抗体"好不好用":筛选方法要尽量贴近最终用途。
⑥ 有限稀释亚克隆
阳性孔里可能混有多个克隆。把细胞稀释到平均每孔不到 1 个细胞再培养,长出的细胞群就来自单个细胞。通常要重复亚克隆,以确保"单克隆性"和稳定分泌。
⑦ 扩大培养、冻存与生产
建立稳定的杂交瘤细胞株,冻存建库;从培养上清中纯化抗体。只要细胞株在,就能持续得到同一种抗体。现在越来越多的项目会进一步对杂交瘤测序,把 VH/VL 转为重组抗体表达。
噬菌体展示:在试管里"进化"抗体
噬菌体是感染细菌的病毒。1985 年,史密斯(George Smith)发现可以把外源基因插入丝状噬菌体的外壳蛋白基因中,让对应的多肽"展示"在噬菌体表面,并且基因就装在同一个噬菌体里:表型(展示的蛋白)和基因型(编码它的 DNA)被绑在了一起。温特(Gregory Winter)把这一技术用于抗体,建立了抗体噬菌体展示文库,并发展了抗体人源化技术。两人分享了 2018 年诺贝尔化学奖的一半(另一半授予阿诺德 Frances Arnold,表彰酶的定向进化)。
用这种方法可以完全在体外获得全人源抗体。第一个获批的全人源单抗阿达木单抗(adalimumab)就是通过噬菌体展示发现的。它分两步:
- 建文库:把成千上万甚至上百亿种不同的抗体片段基因(常用 scFv 或 Fab 形式,见下文)分别装进噬菌体,每个噬菌体表面展示一种抗体片段,这一大群噬菌体就是抗体展示文库。文库可以来自未免疫人群的 B 细胞(天然库)、免疫过的动物或患者(免疫库),也可以人工设计 CDR 序列(合成库)。
- 淘选(panning):像"淘金"一样,把抗原固定在板孔或磁珠上,加入文库,洗掉不结合的噬菌体,把牢牢结合的洗脱下来,感染大肠杆菌扩增,再进入下一轮。每一轮都让结合抗原的克隆比例提高,通常 3–4 轮后挑取单克隆,用 ELISA 鉴定结合能力并测序。因为基因就在噬菌体里,筛到了噬菌体就等于拿到了抗体序列。
类似的技术还有酵母展示、核糖体展示等。
把淘选(panning)流程排成正确顺序。
- 把大量抗体片段基因(如 scFv 或 Fab)克隆进噬菌体,构建展示文库
- 把目标抗原固定在板孔或磁珠上,加入噬菌体文库孵育
- 反复洗涤,洗去不结合或结合很弱的噬菌体
- 洗脱下牢牢结合在抗原上的噬菌体
- 用洗脱的噬菌体感染大肠杆菌,扩增出更多拷贝
- 重复"结合—洗涤—洗脱—扩增"数轮(常见 3–4 轮),逐步富集高亲和力克隆
- 挑取单个克隆,用 ELISA 鉴定结合能力,并测序得到抗体可变区序列
直接"读取"天然配对
从免疫动物或康复患者的血液中,用荧光标记的抗原通过流式分选出能结合抗原的单个 B 细胞,再用单细胞 RT-PCR 扩增出它的 VH 和 VL 基因。保留了体内天然的重轻链配对,速度快,近年发现新冠中和抗体就大量使用了这种方法;兔单抗也常用这一路线获得。
让小鼠"说人话"
把小鼠自身的抗体基因敲除,换上人的抗体基因片段。免疫这种小鼠,再用杂交瘤或单 B 细胞技术,就能直接得到全人源抗体,并且经过了体内的亲和力成熟。帕尼单抗(panitumumab)等全人源抗体就来自这类小鼠。
重组抗体:序列就是"配方"
无论最初用哪种方法发现(杂交瘤、噬菌体展示、单 B 细胞、转基因小鼠),只要拿到 VH 和 VL 的序列,就可以不再依赖动物或原始细胞,而是像生产其他重组蛋白一样生产抗体,这就是重组抗体:
- 根据序列合成可变区基因,与选定的恒定区基因拼接(M4);
- 构建重链和轻链的表达载体,转染哺乳动物细胞:小批量常用 HEK293 细胞瞬时表达,大规模和药物生产常用 CHO 细胞稳定表达(M1、M5、M7);
- 从培养上清中用 Protein A 等纯化(见下文)。
它的优点可以概括为三点:序列确定(批间一致,可以无限重复生产,序列存档就等于永久保存了这个抗体,不怕细胞株丢失);无需重复免疫动物;可工程化改造(把鼠恒定区换成兔或人的、换 IgG 亚类、人源化、做成片段或双抗、改造 Fc、加标签)。正因如此,越来越多的研究抗体也从杂交瘤"转重组"。
抗体工程形式:片段与双特异性抗体
拿到序列以后,抗体可以被"裁剪"和"拼装"成各种形式。最常见的是只保留结合部分的抗体片段,以及一个分子能同时结合两个不同靶点的双特异性抗体。
去掉 Fc
可以酶切获得,也可以直接重组表达。没有 Fc,就没有 Fc 介导的效应功能和 FcRn 带来的长半衰期,适合只需要"结合"的场合。
单链可变区片段
用一段柔性连接肽(常见为甘氨酸-丝氨酸重复序列)把 VH 和 VL 连成一条链。是噬菌体展示文库的常用形式,也是 CAR-T 细胞上识别肿瘤的"弹头"(M7)。
来自骆驼和羊驼
1993 年人们发现,骆驼科动物(骆驼、羊驼、美洲驼)血液中有一类天然缺少轻链的"重链抗体",它的可变区(VHH)单独就能结合抗原。VHH 只有约 12–15 kDa(约为 IgG 的十分之一),小、稳定、易在大肠杆菌中表达,能钻进普通抗体够不着的"凹槽"表位。但分子太小(低于约 60 kDa 的蛋白容易被肾脏滤除),体内半衰期短,药物常需改造延长。首个获批的纳米抗体药物是 caplacizumab。
一个分子,两只"手"各抓一个靶点
天然 IgG 的两条臂识别同一个表位;双特异性抗体(双抗)则让两条臂分别识别两个不同的靶点。典型用法是一只手抓肿瘤细胞表面的抗原,另一只手抓 T 细胞上的 CD3,把 T 细胞"拉"到肿瘤旁边去杀伤,例如靶向 CD19 和 CD3 的博纳吐单抗(blinatumomab)。双抗的结构设计和生产难点在 M7 详细讲。
三类抗体产品怎么选
多抗、单抗、重组抗体没有绝对的好坏,客户要在批间一致性、特异性、周期和成本之间权衡。下表的周期和成本是相对比较,具体项目差别很大。
| 多克隆抗体 | 单克隆抗体(杂交瘤) | 重组抗体 | |
|---|---|---|---|
| 来源 | 免疫动物的血清 | 单个杂交瘤细胞株 | 已知的 VH/VL 序列,在 HEK293、CHO 等细胞中表达 |
| 识别 | 同一抗原上的多个表位 | 单一表位 | 单一表位(序列确定) |
| 特异性 | 整体识别能力强,但混合物中可能含有交叉反应的成分 | 高,只认一个表位 | 高,且可以通过改造序列进一步优化 |
| 批间一致性 | 较差:不同动物、不同采血批次有差异 | 好,但细胞株可能漂移或丢失 | 最好:序列就是"配方" |
| 研发周期 | 相对最短:免疫几次即可采血 | 较长:免疫、融合、筛选、亚克隆环节多 | 已有序列时最快(合成基因后表达即可);从头发现则取决于前端用哪种发现平台 |
| 成本 | 前期成本低 | 前期投入较高,建好细胞株后生产相对便宜 | 需要序列和表达纯化,长期稳定供应最有保障 |
| 供应 | 有限,用完需要重新免疫 | 可持续(冻存细胞株) | 可无限重复生产 |
| 优点 | 信号强,对抗原的变性或少量突变耐受;研发周期相对短 | 特异性高、标准化 | 可工程化改造:人源化、换亚类、片段、双抗、Fc 改造 |
| 局限 | 交叉反应和背景可能更高 | 单一表位被遮蔽或修饰时可能失效;鼠源 | 需要先获得序列 |
抗体纯化:Protein A、G、L 与抗原亲和纯化
不管是血清、杂交瘤上清还是重组表达的培养上清,抗体都混在大量其他蛋白里,需要纯化。最常用的是亲和层析(M5):把能特异结合抗体的蛋白固定在填料上,让样品流过,抗体被"抓住",杂质流走,最后用酸性缓冲液(低 pH)把抗体洗脱下来并立即中和。常用的"抓手"是三种来自细菌的蛋白:
| 纯化介质 | 结合抗体的哪里 | 特点与适用场景 |
|---|---|---|
| Protein A | IgG 的 Fc | 来自金黄色葡萄球菌,结合人、兔、小鼠等多种动物的大多数 IgG,是抗体药生产中最常用的捕获步骤;对人 IgG3 等少数亚类结合弱 |
| Protein G | IgG 的 Fc(主要) | 来自链球菌,能结合的物种和 IgG 亚类比 Protein A 更广(包括人 IgG3),常作为 Protein A 的补充 |
| Protein L | 轻链可变区(部分 κ 轻链) | 不依赖 Fc,所以能纯化没有 Fc 的抗体片段(如含 κ 轻链的 Fab、scFv),也能结合含 κ 轻链的其他类别抗体;不结合 λ 轻链 |
| 抗原亲和纯化 | 可变区(抗原结合位点) | 把抗原(如免疫用的多肽)固定在填料上,只留下真正能结合抗原的那部分抗体。多抗常用这一步去掉血清中大量无关的 IgG |
抗体测序:把抗体变成一串字母
"抗体测序"指测出抗体可变区(VH 和 VL)的氨基酸或核酸序列。它的价值在于:给杂交瘤"上保险"(细胞株丢失或不稳定也不怕)、转成重组抗体表达、进一步人源化或改造,以及专利保护。常见路线有两条:
- 从细胞出发(最常见):提取杂交瘤或单个 B 细胞的 RNA,反转录成 cDNA,用针对可变区的引物或 RACE 方法扩增 VH、VL 基因,再进行测序(M4 的 PCR 和测序)。杂交瘤有时会表达不止一种轻链或重链,需要分辨出真正有功能的那一对。
- 从蛋白出发:手上只有抗体蛋白、没有细胞时,可以用质谱对抗体进行从头蛋白测序,推导出氨基酸序列。
无论哪条路线,最后都应该按测得的序列重组表达,确认它与原抗体的结合能力一致。
多肽抗原 vs 蛋白抗原
制备抗体的第一个问题是"拿什么去免疫"。如果能拿到纯化的目标蛋白(M5 的表达纯化),当然最好;但很多时候蛋白难以表达、太贵或有毒,或者客户只想要识别某个特定区域(例如某个磷酸化位点)的抗体,这时可以用化学合成的多肽代替。
| 合成多肽抗原 | 重组或天然蛋白抗原 | |
|---|---|---|
| 获得难度 | 只需要序列,化学合成即可,不必表达纯化 | 需要表达纯化,部分蛋白很难做 |
| 免疫原性 | 弱:短肽相当于半抗原,需要偶联载体蛋白 | 通常较强 |
| 得到的抗体 | 多识别线性表位,常适合 WB、IHC 等变性或固定条件 | 可识别天然构象表位,适合流式、免疫沉淀、中和等 |
| 特别优势 | 可精确针对某一区域:如区分同源家族成员、针对磷酸化等修饰位点 | 覆盖更多表位,更容易得到功能性抗体 |
为什么要偶联载体蛋白?回顾第 02、03 节:短肽相当于半抗原,B 细胞即使能识别它,也很难获得辅助 T 细胞的"帮助";把多肽偶联到 KLH 这样大而"陌生"的蛋白上,载体提供 T 细胞表位,B 细胞就能被充分激活。常见做法是在多肽一端额外加一个半胱氨酸(Cys),通过其巯基与载体蛋白上的马来酰亚胺基团定向偶联。
多肽抗原怎么设计?
- 长度:常见 10–20 个氨基酸,太短免疫原性和特异性不足,太长合成难度和成本上升。
- 位置:优先选亲水、位于蛋白表面、柔性较大的区域,蛋白的 N 端或 C 端常是好选择;避开跨膜区和高度疏水区。
- 特异性:用序列比对检查这段序列是否与其他蛋白(尤其同家族成员、宿主动物的同源蛋白)高度相似。
- 修饰:糖基化位点上的抗体结合可能被糖链遮挡;若要做磷酸化特异抗体,则用含磷酸化氨基酸的多肽免疫,再用未磷酸化的同序列多肽去除不需要的抗体。
本节要点
- 多克隆抗体来自免疫动物(常用兔)的血清,识别多个表位、信号强、周期短,但批间差异大、供应有限。
- 杂交瘤技术把脾 B 细胞与骨髓瘤细胞用 PEG 融合;HAT 培养基利用骨髓瘤缺 HGPRT 的特点只让杂交瘤存活;再经上清筛选和有限稀释亚克隆得到单克隆细胞株。
- 重组抗体按 VH/VL 序列合成基因、在 HEK293 或 CHO 细胞中表达,序列确定、批间一致、可无限生产并可工程化改造;抗体测序(从 RNA 扩增或质谱)是转重组的前提。
- 噬菌体展示通过建文库和多轮淘选在体外筛出抗体并直接拿到序列;转基因小鼠和单 B 细胞技术也能获得全人源或天然配对的抗体;羊驼等驼类的纳米抗体(VHH)小而稳定。
- 抗体工程形式包括 Fab、scFv(VH 与 VL 用连接肽连成单链)、纳米抗体和双特异性抗体;没有 Fc 的片段半衰期短。
- 纯化常用亲和层析:Protein A/G 结合 Fc,Protein L 结合 κ 轻链可变区(可纯化无 Fc 的片段),抗原亲和纯化只留下特异抗体;多肽抗原需偶联 KLH,得到的抗体多识别线性表位。
07抗体作为检测工具:ELISA 及其他
抗体的两项天赋:认得准(特异性),还能"挂"上信号(标记)。几乎所有免疫检测都建立在这两点上。
一抗、二抗与标记
实验中常分为一抗(直接识别目标分子的抗体)和二抗(识别一抗的抗体)。二抗是用一种动物的抗体去免疫另一种动物得到的,例如用兔 IgG 免疫山羊,就得到"山羊抗兔 IgG",它能结合任何兔源一抗的恒定区。二抗的好处是通用(一种标记二抗可以配所有兔源一抗)和放大信号(一个一抗上可以结合多个二抗)。这也是为什么检测中常要求不同抗体"来自不同物种":否则二抗会把不该认的抗体也认出来。
抗体可以连上各种"信号灯"(标记):
- 酶:最常用辣根过氧化物酶(HRP),也用碱性磷酸酶(AP)。酶本身看不见,要加底物才出信号:ELISA 用 TMB 显蓝色,WB 用化学发光底物(ECL)发光,IHC 用 DAB 显棕色。一个酶分子能催化大量底物,所以信号被放大。
- 荧光染料:直接发出某种颜色的荧光,用于流式细胞术和免疫荧光,不同颜色可以同时标记多个目标。
- 生物素:本身不发信号,但能被链霉亲和素以极高亲和力抓住,再由链霉亲和素携带 HRP 或荧光,常用于放大信号。
- 胶体金等颗粒:肉眼可见的红色,用于试纸条(见下文)。
ELISA:四种基本形式
ELISA(酶联免疫吸附测定)由瑞典的恩格瓦尔(Engvall)和珀尔曼(Perlmann)以及荷兰的研究者在 1971 年各自报道。它用酶显色代替了此前放射免疫分析(RIA)中的放射性同位素,安全、便宜、易于自动化,至今仍是定量检测蛋白最常用的方法之一。
抗原包被 + 标记一抗
步骤最少,但每个一抗都要单独标记,没有信号放大。
抗原包被 + 一抗 + 标记二抗
常用于测血清中的抗体,例如测免疫动物的效价、检测疫苗接种后的抗体。
捕获抗体 + 抗原 + 检测抗体
特异性和灵敏度最好,是定量测样品中某种蛋白(如细胞因子)的标准方法。需要一对识别不同表位的"配对抗体"。
样品与标记抗原竞争
信号越低,样品中目标越多。适合小分子等只有一个表位、无法"夹心"的目标。
选哪种形式,取决于"要测的是什么":测样品中的蛋白(如血清里的细胞因子)首选夹心法,因为两个抗体都要认对才出信号,特异性和灵敏度最好;测血清中的抗体(如免疫动物的效价、疫苗接种后的抗体)用间接法:板上包被抗原,样品中的抗体就是"一抗",再用标记二抗检测;测小分子(药物、激素、农残等半抗原)用竞争法,因为小分子只有一个表位,没法被两个抗体同时"夹住"。竞争法的读数与其他三种相反:样品中目标越多,抢走的结合位点越多,结合上的标记物越少,信号越低。
一个反应孔的剖面图。点击"下一步",看分子一层层"盖楼"。
① 包被捕获抗体
把捕获抗体加入聚苯乙烯 96 孔板,4 °C 过夜或室温孵育,抗体通过疏水作用吸附在孔底。然后洗板。
② 封闭
加入 BSA、脱脂奶粉或商品化封闭液,占满孔底剩余的"空位",防止后面加入的蛋白和抗体非特异地粘在塑料上,造成背景偏高。
③ 加入标准品和样品
已知浓度的标准品(做标准曲线用)和待测样品加入不同孔中。样品里的目标抗原被捕获抗体"抓住",其他蛋白在洗板时被洗掉。通常每个样品做复孔。
④ 加入检测抗体
检测抗体识别抗原上的另一个表位,形成"抗体—抗原—抗体"的夹心结构。两个抗体的表位不能重叠,否则会"抢位置",这就是"配对抗体"的意思。
⑤ 加入酶标二抗
HRP 标记的二抗结合检测抗体(例如检测抗体是兔源的,就用抗兔 IgG-HRP)。二抗不能识别捕获抗体,所以捕获抗体和检测抗体通常来自不同物种。另一种常见方案是用生物素标记检测抗体,再加链霉亲和素-HRP。
⑥ 加底物显色
加入底物 TMB,HRP 催化其氧化生成蓝色产物。孔里抗原越多 → 结合的检测抗体和 HRP 越多 → 颜色越深。显色时间要控制好,避免最高浓度的标准品"饱和"。
⑦ 终止并读取 OD
加入酸(如稀硫酸)终止反应,颜色由蓝变黄。用酶标仪读取 450 nm 处的吸光度(OD450)。把标准品的浓度和 OD 画成标准曲线,就能换算出样品浓度,用下面的工具试一试。
标准曲线:把颜色深浅换算成浓度
酶标仪读出的 OD 值只是"颜色有多深",要变成"样品里有多少蛋白",需要一条标准曲线:在同一块板上加入一系列已知浓度的标准品(通常做 2 倍倍比稀释,6–8 个浓度点,外加不含目标的空白孔),读出各自的 OD,以浓度为横坐标(常取对数)、OD 为纵坐标画出曲线;再把样品的 OD 放到曲线上,反查出浓度。
ELISA 的标准曲线通常呈 S 形:低浓度端信号接近背景,高浓度端因为结合位点饱和、显色接近上限而变平,只有中间一段能可靠地区分浓度差异。最低和最高标准品之间的这段范围叫定量范围。几条必须遵守的规则:
- 不能外推:样品 OD 高于最高标准品时,曲线已趋于饱和,不能把曲线向上延长去读数,而应把样品进一步稀释后重测,让 OD 落进定量范围;
- 低于最低标准品时,只能报告"低于定量下限",需要时减少稀释倍数或改用更灵敏的方法;
- 从曲线上读出的是"孔内浓度",要乘以稀释倍数才是原样品浓度;
- 样品和标准品都做复孔,复孔之间差异过大说明操作有问题。
下面的工具可以亲手试一试这些规则:
下面是一组虚构的示例数据:7 个倍比稀释的标准品及其 OD450。输入样品的 OD 和稀释倍数,工具会在"对数浓度—OD"坐标中做分段线性插值,算出浓度并标在曲线上。你也可以修改图下表格中的标准品 OD,看曲线如何变化。
真实实验中,标准曲线怎么拟合?
因为曲线是 S 形,实际工作中常用四参数逻辑回归(4PL)或五参数(5PL)模型拟合整条曲线,而不是简单连线。本工具用的"对数浓度上分段线性插值"只是为了演示原理。复孔之间的差异常用变异系数(CV)衡量。
其他常见的抗体检测方法
除了 ELISA,抗体还是很多实验的核心工具。区分它们,最简单的办法是问三个问题:想回答什么问题?样品里的抗原处于什么状态?最后看到的是什么?
| 方法 | 回答什么问题 | 抗原状态 | 读出 |
|---|---|---|---|
| Western blot(WB,蛋白印迹) | 有没有这个蛋白?分子量对不对?有没有降解或修饰? | SDS 变性后按分子量分离,转到膜上:变性,适合识别线性表位的抗体 | 膜上的条带 |
| 免疫组化(IHC) | 蛋白在组织切片的哪些细胞、哪个位置表达? | 福尔马林固定、石蜡包埋,常需"抗原修复" | 显微镜下的棕色染色(DAB) |
| 免疫荧光(IF) | 蛋白在细胞里的位置,几个蛋白是否在同一处? | 固定的细胞或切片 | 荧光显微镜下的多色荧光 |
| 流式细胞术(FC) | 一群细胞中,表达某种标志的细胞占多少? | 多为活细胞表面的天然构象蛋白 | 逐个细胞的荧光强度和阳性百分比 |
| 免疫沉淀(IP / Co-IP) | 把目标蛋白从裂解液中"钓"出来;它和谁结合? | 非变性的天然蛋白 | 拉下来的蛋白,再用 WB 或质谱分析 |
| 侧向层析(试纸条) | 样品里有没有某种物质?要求快速、现场、不用仪器 | 液体样品中的天然抗原 | 肉眼可见的线条 |
表中最关键的一列是"抗原状态":同一个抗体在变性的 WB 里好用,不代表在识别天然蛋白的流式或 IP 里也好用(回顾第 02 节的线性表位与构象表位)。点击下面的标签页可以看到每种方法的具体流程。
问题:样品里有没有这个蛋白?分子量对不对?有没有降解或修饰?
流程:SDS-PAGE 按分子量分离蛋白(M5)→ 电转移到 PVDF 或硝酸纤维素膜上(1979 年 Towbin 等人建立)→ 封闭 → 一抗 → HRP 标记二抗 → 化学发光(ECL)显影,看到条带。
关键:蛋白已变性,抗体需要识别线性表位。"WB 验证通过"通常意味着在预期分子量处看到特异条带,且没有明显杂带。
问题:这个蛋白在组织或细胞的哪里表达?哪些细胞表达?位于细胞膜、细胞质还是细胞核?
免疫组化(IHC):常用福尔马林固定、石蜡包埋(FFPE)的组织切片。固定会使部分表位被"锁住",所以通常需要加热等方法进行抗原修复,再用酶标抗体和 DAB 底物显出棕色信号,在普通显微镜下观察。是病理诊断的常规手段(如判断乳腺癌是否 HER2 阳性)。
免疫荧光(IF):用荧光标记抗体,可以在同一样品中用不同颜色同时标记多个蛋白,用荧光或共聚焦显微镜观察。
问题:一群细胞中,表达某种标志的细胞占多少?
原理:用荧光标记的抗体(如抗 CD3、抗 CD19)染色细胞,细胞排成单列流过激光,仪器逐个测量每个细胞的荧光强度,每秒可分析成千上万个细胞。配合分选功能(FACS)还能把目标细胞挑出来,单 B 细胞技术就用到了这一点。
关键:多数情况下检测的是活细胞表面的天然构象蛋白,WB 用的抗体不一定能用于流式。
问题:把目标蛋白从复杂的细胞裂解液中"钓"出来;它和谁结合在一起?
原理:抗体结合目标蛋白,再用偶联了 Protein A/G 的磁珠或琼脂糖珠把"抗体—蛋白"复合物拉下来(IP)。如果同时拉下了与目标结合的其他蛋白,就是免疫共沉淀(Co-IP),可用于研究蛋白相互作用;拉下与蛋白结合的 DNA 则是染色质免疫沉淀(ChIP)。
关键:在非变性条件下进行,抗体需要识别天然蛋白。
侧向层析:家用试纸条的原理
早孕试纸、新冠抗原检测卡都是侧向层析(lateral flow)试纸条,本质是一个"做在纸上的夹心免疫检测"。液体样品滴在一端,靠毛细作用沿试纸流向另一端,途中依次经过:
- 结合垫:预先放着用胶体金(红色纳米金颗粒)标记的检测抗体。样品中的目标抗原流过时与它结合,形成"金标抗体—抗原"复合物,一起继续向前流。
- 检测线(T 线):膜上固定着识别抗原另一个表位的捕获抗体。复合物被抓住,金颗粒在这里聚集成一条红线。样品里没有抗原,T 线就不出现。
- 质控线(C 线):固定着能结合金标抗体本身的二抗(例如抗小鼠 IgG)。无论样品阴性还是阳性,多余的金标抗体流到这里都会被抓住显色,证明液体确实流过、试剂有效。
判读:只有 C 线为阴性;C、T 两条线为阳性;C 线不出现则结果无效,要重新检测。检测小分子(如药物筛查)的试纸条常用竞争法,读法相反:T 线消失才是阳性。试纸条的优点是快(十几分钟)、便宜、不需要仪器;缺点是灵敏度和定量能力不如 ELISA。
抗体验证:"适用于 WB/IHC/FC"是什么意思?
抗体说明书上常写"已验证应用:WB、IHC-P、FC"。它的含义是:这个抗体在这些具体实验条件下,被实验证明能特异地识别目标。因为不同应用中抗原的状态完全不同(变性的、被固定的、活细胞表面天然的),一个抗体在一种应用中好用,不代表在另一种应用中也好用。每个应用都要单独验证。
验证的核心是证明特异性:抗体只结合目标分子。与之相对的是交叉反应:抗体除了目标,还结合了其他分子,通常是结构相似的蛋白,例如同一家族的其他成员、其他物种的同源蛋白,或恰好含有相似序列片段的无关蛋白。交叉反应会造成假阳性和多余的杂带。检查方法包括:在不表达目标的样品(如敲除细胞)中应无信号;用序列比对预判可能交叉的蛋白并实际测试;多抗可以用相关蛋白做"吸附"去除交叉反应的成分。说明书上的"种属反应性"(如"与人、小鼠反应")其实就是一种有意利用的交叉反应。
夹心检测还有一个特殊要求:配对抗体。捕获抗体和检测抗体必须识别同一抗原上两个不重叠的表位,否则会"抢位置",抗原无法被同时夹住。所以开发夹心 ELISA 或试纸条时,常把一批候选抗体两两组合测试,从中挑出信号最好、背景最低的组合作为"配对"。
根据研究问题,选出最合适的检测方法。
想知道某个蛋白在肿瘤组织切片中表达在哪些细胞里。
想统计一份血液样本中 CD19⁺ B 细胞占淋巴细胞的百分比。
想确认细胞裂解液中的目标蛋白分子量是否正确、有没有降解片段。
想准确定量 100 份血清样本中某种细胞因子的浓度。
本节要点
- 一抗直接识别目标,二抗识别一抗的恒定区(如山羊抗兔 IgG),通用且能放大信号;常用标记有 HRP 等酶(配 TMB、ECL、DAB 底物)、荧光、生物素和胶体金。
- ELISA 四种形式:直接法(标记一抗)、间接法(标记二抗,常测血清抗体效价)、夹心法(一对识别不重叠表位的配对抗体,测样品中蛋白最灵敏特异)、竞争法(测小分子,信号越低目标越多)。
- 标准曲线呈 S 形,只能在定量范围内读数:不能外推,超上限要稀释重测,结果乘以稀释倍数。
- WB 看分子量(变性),IHC/IF 看组织和细胞中的位置,流式统计细胞群中阳性比例(天然构象),IP 从裂解液中钓出目标及其结合伙伴(天然构象)。
- 侧向层析试纸条是纸上的夹心检测:金标抗体、T 线捕获抗体、C 线二抗;只有 C 线为阴性,两条线为阳性,C 线不出现为无效。
- 抗体验证要在每种应用中分别证明特异性,排除交叉反应(结合结构相似的非目标分子),常用敲除对照、正交方法和独立抗体等策略。
08抗体药物:从鼠源到全人源,读懂药名
德国科学家埃尔利希在一百多年前设想的"魔法子弹",在单抗时代成为现实。
抗体能成为一大类药物,靠的是几项天然优势:特异性极高(脱靶毒性相对小)、半衰期长(靠 FcRn,IgG 约 3 周,可以几周给药一次)、作用方式多样(既能单纯阻断,也能通过 Fc 召集免疫系统杀伤)。
靶点:药物要"打"的那个分子
靶点(target)是药物结合并发挥作用的那个分子,通常是一个与疾病密切相关的蛋白,例如肿瘤细胞上过量表达的 HER2、类风湿关节炎中过多的 TNF-α、T 细胞上的"刹车"PD-1。抗体药名里的靶点词干、"抗 CD20 单抗"这类叫法说的都是靶点。好的抗体药靶点一般要满足:
- 与疾病相关:阻断或清除它能改变病程;
- 抗体够得着:抗体是约 150 kDa 的大分子,基本进不了细胞,所以靶点通常位于细胞表面或是分泌到细胞外的可溶性分子;
- 分布有选择性:最好主要存在于病变细胞或组织,在正常组织中少,以减少副作用。
抗体药怎样起效:几类作用机制
| 机制 | 原理 | 代表药物(靶点) | 对 Fc 的要求 |
|---|---|---|---|
| 阻断配体(中和可溶性分子) | 抗体结合游离的细胞因子、生长因子等,使它无法与受体结合 | 阿达木单抗、英夫利西单抗(TNF-α);贝伐珠单抗(VEGF) | 主要靠 Fab 结合即可 |
| 阻断受体 | 抗体占住细胞表面受体,让天然配体结合不上,或抑制受体的信号 | 曲妥珠单抗(HER2)、西妥昔单抗(EGFR)、托珠单抗(IL-6 受体) | 以阻断为主,有的同时借助 ADCC |
| 激活受体(激动型抗体) | 抗体模仿天然配体"按下开关",让受体发出信号,例如激活免疫细胞上的共刺激受体 | 多处于临床研究阶段,如针对 CD40、4-1BB 等的激动型抗体 | 常需要特定的 Fc 受体交联 |
| 靶向杀伤 | 抗体结合靶细胞表面抗原,通过 ADCC、CDC、吞噬作用清除靶细胞 | 利妥昔单抗(CD20,清除淋巴瘤 B 细胞) | 需要强 Fc 效应功能,常选 IgG1,甚至去岩藻糖增强 |
| 免疫检查点抑制 | 挡住 T 细胞的"刹车"分子或它的配体,让 T 细胞重新攻击肿瘤 | 帕博利珠单抗、纳武利尤单抗(PD-1);伊匹木单抗(CTLA-4) | 抗 PD-1 只需阻断,常选效应功能弱的 IgG4 |
| 作为"运载工具" | 抗体负责精准"送货",把细胞毒药物或 T 细胞带到靶细胞 | 抗体偶联药物(ADC)、双特异性抗体 | 见本节末尾和 M7 |
免疫检查点抑制剂:给 T 细胞"松刹车"
回顾第 02 节:T 细胞上的 PD-1 是一个"刹车",与配体 PD-L1 结合后会抑制 T 细胞。很多肿瘤细胞大量表达 PD-L1,相当于一直踩着 T 细胞的刹车,让它们"看见了也不动手"。抗 PD-1 抗体(或抗 PD-L1 抗体)挡在两者之间,刹车松开,T 细胞恢复杀伤力。注意:这类药本身并不直接杀肿瘤,而是"解放"患者自己的 T 细胞;它也可能让 T 细胞攻击正常组织,引起免疫相关的副作用。
均为美国 FDA 首次批准的年份。
鼠源 → 嵌合 → 人源化 → 全人源
杂交瘤技术让单抗唾手可得,但第一代抗体药是纯小鼠蛋白。人体会把它当作异物,产生人抗鼠抗体(HAMA):药物被快速清除、疗效下降,重复给药还可能引起过敏反应。抗体工程的发展史,就是一部不断降低免疫原性的历史:
换掉"下半身"
1984 年前后,研究者用基因工程把小鼠抗体的可变区和人抗体的恒定区拼接在一起。识别能力不变,免疫原性明显降低,人的 Fc 也能更好地调动人的免疫系统。代表:利妥昔单抗、英夫利西单抗。
只留下"指纹"
1986 年温特团队提出 CDR 移植:只把小鼠抗体的 6 个 CDR 移植到人抗体的框架区上。由于框架会影响 CDR 的空间构象,常需要把少数关键框架残基"回复突变"成鼠源,以恢复亲和力。代表:曲妥珠单抗、帕博利珠单抗。
从源头就是人的
来自噬菌体展示人抗体文库、人源化转基因小鼠或人的 B 细胞。代表:阿达木单抗、纳武利尤单抗。注意:全人源不等于零免疫原性,患者仍可能产生抗药抗体(ADA),这是临床开发中必须监测的指标。
免疫原性指药物引起人体免疫反应的倾向。HAMA 专指人体针对鼠源抗体产生的抗体;更通用的说法是抗药抗体(ADA,anti-drug antibody),指患者针对任何生物药产生的抗体。ADA 可能中和药物、加快药物清除、降低疗效,少数情况下引起过敏或输注反应。为什么全人源抗体也会有 ADA?因为可变区(尤其 CDR)是独一无二的新序列,免疫系统并不一定"耐受"它;此外,药物中的聚集体、杂质和给药方式也会影响免疫原性。降低鼠源序列比例,是减少 ADA 最重要的一步,但不是全部。
传统 INN 命名规则:从名字看来源
抗体药的国际非专利名称(INN)由世界卫生组织统一命名,传统结构是:前缀(随意的独特音节)+ 靶点词干 + 来源词干 + -mab。其中 -mab 代表 monoclonal antibody(单克隆抗体)。
| 来源词干 | 含义 | 例子 |
|---|---|---|
| -o-(-omab) | 鼠源 | ibritumomab(与放射性核素偶联使用) |
| -xi-(-ximab) | 嵌合 | rituximab 利妥昔单抗、infliximab 英夫利西单抗、cetuximab 西妥昔单抗 |
| -zu-(-zumab) | 人源化 | trastuzumab 曲妥珠单抗、pembrolizumab 帕博利珠单抗、bevacizumab 贝伐珠单抗 |
| -u-(-umab) | 全人源 | adalimumab 阿达木单抗、nivolumab 纳武利尤单抗、ipilimumab 伊匹木单抗 |
靶点词干也有规律,例如 -li(m)- 表示免疫系统,-tu(m)- 表示肿瘤,-ci(r)- 表示心血管/循环系统,-vi(r)- 表示病毒。拼接时如果前后都是辅音,会省略一个字母,例如 tras-tu-zu-mab、ada-lim-u-mab。另外要注意,以 -cept 结尾的药不是抗体,而是把某个受体的胞外段接到 IgG Fc 上的融合蛋白,例如依那西普(etanercept)同样阻断 TNF-α;药名后面若还有第二个词,通常表示偶联了药物或其他分子(如 ADC)。
输入一个抗体药的英文通用名(也可以输入部分中文名),按传统 INN 规则拆解,并判断来源类型。内置了约 20 个常见药名的完整信息;其他名字只解析来源词干。
用刚学的后缀规则,把药名归入正确的来源类型。
鼠源
嵌合
人源化
全人源
提示:muromonab-CD3 早于命名体系,名字来自 "murine monoclonal antibody",结尾并不是 -omab,但它确实是鼠源抗体。
预告:ADC 与双抗
普通抗体药之外,"抗体 + 其他东西"的新形式正在快速增长,M7 会详细讲:抗体偶联药物(ADC)用化学连接子把强效的细胞毒药物挂在抗体上,抗体负责找到肿瘤细胞、被细胞吞入后释放药物,相当于"制导导弹",例如恩美曲妥珠单抗(trastuzumab emtansine);双特异性抗体一个分子同时结合两个靶点(第 06 节),例如把 T 细胞直接"拉"到肿瘤细胞旁。它们的药名常带第二个词或新的命名后缀,用上面的解码器输入"trastuzumab emtansine"试试。
本节要点
- 靶点是药物结合并起作用的分子;抗体基本进不了细胞,所以靶点通常在细胞表面或分泌到细胞外,并且应与疾病相关、分布有选择性。
- 抗体药的作用机制主要有:阻断配体(如抗 TNF-α)、阻断受体(如抗 HER2)、激活受体(激动型抗体,多在研究中)、靶向杀伤(如抗 CD20,靠 ADCC/CDC,常用 IgG1)、免疫检查点抑制(如抗 PD-1,松开 T 细胞刹车,常用 IgG4),以及作为 ADC、双抗的运载工具。
- 为降低免疫原性,抗体药经历了鼠源、嵌合(鼠可变区加人恒定区)、人源化(CDR 移植)到全人源的演变;鼠源抗体引起 HAMA,任何生物药都可能诱导 ADA。
- 传统 INN 命名:-omab 鼠源、-ximab 嵌合、-zumab 人源化、-umab 全人源;2017 年起新命名不再含来源词干,新药名看不出来源,要以说明书为准。
09联系工作:听懂客户的抗体需求
把本模块的知识翻译成"客户到底想要什么"。以下只做概念层面的说明。
| 客户说 | 背后的生物学 | 沟通时值得确认的点 |
|---|---|---|
| "用多肽抗原免疫兔子做多抗" | 合成目标蛋白上的一段多肽,偶联 KLH 后免疫兔子,从血清中纯化出识别这段序列的多克隆抗体(第 06 节) | 目标蛋白和多肽区域怎么选;抗体主要用于什么实验(WB、IHC 还是其他);是否需要抗原亲和纯化 |
| "要做单抗的杂交瘤" | 免疫小鼠 → 融合 → HAT 筛选 → 上清筛选 → 亚克隆,得到稳定分泌单一抗体的细胞株 | 抗原是什么形式(蛋白、多肽、细胞);用什么方法筛选(应尽量贴近最终用途);是否需要后续测序转重组 |
| "抗体人源化" | 把鼠源抗体的 CDR 移植到人抗体框架上,必要时回复突变,在保持亲和力的同时降低免疫原性(第 08 节) | 是否已有鼠抗的 VH/VL 序列;亲和力和功能用什么方法评价 |
| "抗体要验证 WB 和 IHC" | 两种应用中抗原状态不同(变性 vs 固定组织),需要分别用实验证明特异性(第 07 节) | 用什么样品、阳性和阴性对照;IHC 是否用石蜡切片;验证标准是什么 |
| "做 ELISA 检测试剂对" | 一对识别同一抗原不同(不重叠)表位的抗体,分别作为捕获抗体和检测抗体,用于夹心 ELISA | 检测的样品类型(血清、上清等);需要的灵敏度和线性范围;是否需要标准品 |
| "做纳米抗体" | 免疫羊驼等骆驼科动物,扩增 VHH 基因构建噬菌体展示文库,经淘选获得结合抗原的单域抗体 | 用途(检测、成像、治疗研究);是否需要特定表位或功能(如阻断) |
| "杂交瘤测序 / 转重组" | 从杂交瘤 RNA 扩增并测出 VH/VL 序列,合成基因后在 HEK293 或 CHO 细胞中表达成重组抗体(第 06 节) | 细胞是否还能稳定分泌;需要什么恒定区(原物种、换成兔或人、哪个亚类);表达量和纯度要求 |
| "用 Protein A 纯化" / "片段用 Protein L" | Protein A/G 结合 IgG 的 Fc;没有 Fc 的 Fab、scFv 可以用结合 κ 轻链的 Protein L(第 06 节) | 抗体的物种和亚类;是完整 IgG 还是片段;轻链是 κ 还是 λ |
| "测一下亲和力 KD" | 用 SPR 或 BLI 测结合与解离速率,算出 KD;数值越小结合越紧(第 05 节) | 需要比较的候选抗体有哪些;抗原的形式和纯度;是否同时看结合速率和解离速率 |
每道题选出最准确的理解。
客户说:"我们要用多肽抗原免疫兔子做多抗,主要用于 WB。"下面哪个理解最准确?
客户说"要做单抗的杂交瘤",项目最核心的交付物是什么?
客户手上有一个疗效很好的鼠源抗体,打算开发成人用药,提出"做人源化"。主要目的是?
客户要求"抗体要验证 WB 和 IHC"。下面哪种说法正确?
客户要"做 ELISA 检测试剂对",这里的"对"指的是?
本节要点
- 听到客户需求,先把它定位到本模块的知识上:抗原怎么选(多肽还是蛋白)、用哪条技术路线(多抗、杂交瘤、展示、纳米抗体、重组)、最终用在什么实验或场景。
- 抗体的最终用途决定了需要什么样的表位和验证:WB 用线性表位,流式、IP、中和用天然构象,每种应用都要单独验证。
- 常见的交付物要说清楚:多抗血清或纯化抗体、杂交瘤细胞株、VH/VL 序列、重组抗体、配对抗体、人源化序列及亲和力数据。
10术语卡片:点击翻面
先看正面自己解释一遍,再翻过来核对。
11模块测验
14 道题,答完自动计分,成绩会记录在课程首页。
关于先天免疫和适应性免疫,下列说法正确的是?
一个被病毒感染的肝细胞,靠什么让 CD8⁺ T 细胞发现自己被感染了?
第二次接触同一病原体时,抗体应答更快、更强,主要原因是?
下列哪一项不是抗体多样性的来源?
一个 IgG 的抗原结合位点由几个 CDR 共同构成?
纯化的 IgG 在还原 SDS-PAGE 上,通常会看到哪些条带?
IgG 在人体内的半衰期可达约 3 周,而去掉 Fc 的 Fab 片段只有很短的半衰期。最主要的原因是?
两个抗体结合同一抗原:抗体甲 KD = 2 nM,抗体乙 KD = 20 pM。下列说法正确的是?
杂交瘤技术中,HAT 培养基的作用是?
某诊断试剂公司要求抗体多年供货、每批性能一致,以后还可能把恒定区换成兔源。最合适的方案是?
用合成多肽制备抗体时,为什么通常要把多肽偶联到 KLH 上?
夹心 ELISA 中,某样品的 OD 明显高于最高浓度标准品的 OD,应该怎么做?
用夹心法抗原检测试纸条测一份样品,只出现了 T 线,C 线没有出现。应如何判读?
按传统 INN 命名规则,infliximab(英夫利西单抗)属于哪一类?
延伸资源
- Crash Course Anatomy & Physiology:免疫系统系列,B 站可搜中文字幕版,适合系统复习先天免疫与适应性免疫。
- Kurzgesagt("简单来说")免疫系统动画,B 站可搜"Kurzgesagt 免疫系统",画面生动,适合建立整体印象。
- 搜索"ELISA 原理动画""Western blot 原理动画":直观看到每一步分子如何结合。
- 搜索"杂交瘤技术 动画""噬菌体展示 动画":配合本模块的分步动画复习。
- 《Janeway 免疫生物学》(Janeway's Immunobiology):经典免疫学教材,想深入时可查阅对应章节。
- 工作练习:打开公司抗体相关服务的介绍页面,找出其中出现的 5 个专业术语(如效价、亚克隆、人源化、配对抗体),用本模块的知识各写一句话解释给新同事听。
学完了吗?
回到"学习目标"逐条检查,都能做到就标记完成吧。