百济神州如何设计差异化的PD-1抗体？

2017年7月5日，百济神州与新基宣布达成战略合作，百济神州将PD-1抗体BGB-A317在亚洲以外地区的实体肿瘤权益授权给新基，百济神州保留BGB-A317亚洲区权益及亚洲外区域的血液肿瘤权益。百济神州获得2.63亿美元预付款以及1.5亿美元股权投资，同时获得新基中国上市产品的销售权，包括Abraxane、Revlimid及Vidaza。

PD-1/PD-L1领域大热，2014年首个药物上市以来仅三年时间，市场容量就达到60亿美元。已经坐拥PD-L1抗体的新基不惜重金买下BGB-A317，明显是希望在肿瘤免疫领域有更大的作为。

拥挤的PD-1/PD-L1抗体领域

通过此次交易，百济神州不仅获得了数十亿现金流，更是快速实现从研发、生产到销售的完整布局。从新基的角度，百济神州PD-1抗体尽管属于后来者，但其差异化设计仍有望在激烈竞争中获得一席之地，进而巩固其在肿瘤免疫治疗领域的地位。目前FDA已经批准5款PD-1/PD-L1抗体药物，包括2个PD-1抗体和3个PD-L1抗体，百济神州PD-1抗体有和特别之处呢？

作用机制：单纯的Blocker or 结合ADCC杀伤作用？

PD-1/PD-L1的相互作用导致肿瘤细胞的免疫逃逸，用抗体阻断该通路可以让T细胞杀伤肿瘤细胞。因此PD-1/PD-L1抗体多设计为单纯的Blocker，即不需要ADCC的杀伤作用。如PD-1抗体Opdivo、Keytruda均采用了低ADCC活性的IgG4亚型。PD-L1抗体Tecentriq采用IgG1亚型，但通过突变掉糖基化位点，去除了ADCC活性；Imfinzi则通过影响ADCC活性的氨基酸突变实现去除ADCC活性。

▲ Imfinzi（Durvalumab）的工程化设计，通过3个氨基酸突变达到去除ADCC的目的

此外，由于PD-L1表达在肿瘤细胞上，因而理论上保留ADCC活性，可以同时利用NK细胞的杀伤作用。事实上，辉瑞/默克的Avelumab即采用了强ADCC活性的IgG1亚型。

▲ 抗体药物的不同作用机制，目前仅有一个强ADCC活性设计的PD-L1抗体 Avelumab

Fc工程化设计：综合前人成果 去除FcγR亲和力

Fc工程化设计已经有过许多尝试，Durvalumab去除ADCC活性源于MedImmune的方法，通过L234F、L235E、P331S去除ADCC活性。其他设计方法见下表。

根据百济神州在Annual of Oncology上披露的部分信息，BGB-A317的工程化设计是通过铰链区的突变减弱FcγRI的亲和力，避免MDSC对T细胞的清除。

Fc与FcγR的结合主要通过铰链区，机制研究相对明确，Fab exchange等的机制同样比较清楚。

▲ IgG1 Fc与FcγR相互作用的关键区域

由于Durvalumab是在IgG1的基础上进行工程化改构，所以首要目的的去处ADCC。百济神州则是在弱ADCC活性的IgG4基础上进行进一步优化，而IgG4对FcγR的亲和力主要体现为FcγRI，所以优化目的即为完全去除Fc effector 效应。

▲ FcγR与不同IgG亚型的亲和力及细胞分布

进一步查阅百济神州的PD-1专利，其从小鼠免疫的抗体中挑选了高亲和力的317、326，后续实例中以317为主，通过分析可以初步断定BGB-A317的序列为专利中的317-4B6/IgG4mt10。其中IgG4mt10为对IgG4进行工程化设计去除FcγR亲和力的10号突变体。包含228、233、234、235、236、265、309、409共7个突变位点。

▲ 百济神州PD-1抗体IgG4的突变设计

最终的人源化抗体hu317-4B6/IgG4mt10基本去除了对所有FcγR、尤其是FcγRI的亲和力。

▲ 突变后，IgG4的FcγR亲和力尤其是FcγRI亲和力明显下降

从突变设计上看，百济神州算是综合了很多前人的工作：

• S228P的突变避免IgG4 Fab臂交换的发生，K409R同样是针对该问题；

• 309突变与FcRn的结合有关；

• 233、234、235同样是已知的影响FcγR相互作用的位点，百济神州的做法较为直接，将IgG4的E/F/L直接突变为IgG2对应的P\V\A（IgG2不结合FcγRI）。与罕见病抗体药物Soliris（Eculizumab）有类似之处，后者是将IgG2的铰链区接到IgG4的恒定区上。

▲ IgG1、IgG2、IgG4序列比对

据上述，初步判断BGB-A317的序列应该为：

▲ 分析BGB-A317的序列：通过S228P阻止Fab exchange、E233P/F234V/L235A 去除FcγRI亲和力等

小编总结

从设计上看，百济神州更全面的综合了前人的方法，从不同切入点入手，也做了更多的优化，也最大程度上避免了侵犯其他公司的专利。当然，技术上仍有一些重合点，是否存在潜在的专利纠纷还需专业人士给予详细的分析。

BGB-A317的设计与Durvalumab相似之处，但切入点有所不同。BGB-A317成为目前唯一一个去除全部FcγR亲和力的PD-1抗体（主要差异是FcγRI），这或许也是新基寄希望于BGB-A317或可在Opdivo、Keytruda通知的PD-1抗体领域争得一席之地的原因。

从国内生物药新药研发的大环境来看，通过工程化设计来得到差异化的跟踪创新药物，是一条可行之路。康弘药业康柏西普采用VEGFR不同的domain、康宁杰瑞的PD-L1抗体采用纳米抗体结构，百济神州则通过Fc工程化改造，这些药物是否优于前面的同靶点抗体药物不好说，但差异化设计将争得一席空间，并且取得了令人瞩目的进展：康柏西普赴美直接开展三期临床、康宁杰瑞PD-L1抗体KN035获得日本批准开展临床研究，此番百济神州高价转让PD-1抗体的海外权益，这些努力共同为国产新药走向世界，提供了一种新的模式。

参考资料

• Immunoglobulin isotype knowledge and application to Fc engneering(2016)；

• CN201380079581， 抗PD1 抗体及其作为治疗剂与诊断剂的用途；

• At.Zhou，治疗性单抗的亚型选择及Fc改造；

• Armstrong，4种IgG亚型在抗体药物中的应用；

• Advances in the assessment and control of the effector functions of therapeutic antibodies(2011)；

• Optimization of Fc-mediated effector functions of monoclonal antibodies(2009)；

• Affinity of human IgG subclasses to mouse Fc gamma receptors；

• Diversification of IgG effector functions(2017)；

• Fc gamma receptors glycobiology and therapeutic prospects(2016)；

• FcγR=The key to optimize therapeutic antibodies(2007)；

• IgG Subclasses and Allotypes=From Structure to Effector Functions(2014)；

• IgG4 Characteristics and Functions in Cancer Immunity(2016)；

• Influence of immunoglobulin isotype on therapeutic antibody function(2016)；

• Role of Fc–FcγR interactions in the antitumor activity of therapeutic antibodies(2017)；

• The Highly Evolvable Antibody Fc Domain(2016)；