综述：从发现到临床应用：骆驼科动物来源的单域抗体的结构特性、工程化改造方案及其在临床和“下一代”医疗技术中的应用

《mAbs》：From discovery to the clinic: structural insights, engineering options, clinical, and ‘next wave’ applications of camelid-derived single-domain antibodies

单域抗体（sdAbs）源于骆驼等动物，具有小分子量、高稳定性和多功能集成优势。截至2025年10月，已有五种基于sdAbs的疗法获批，如caplacizumab和envafolimab。文章综述了sdAbs的结构特征（如CDR3多样性、非经典二硫键）、生成技术（免疫camelids、合成库、AI设计）、临床应用（靶向TNF、PD-L1等）及未来方向（口服递送、allosteric调节）。

　　近年来，单域抗体（sdAbs）作为一种从骆驼科动物中提取的特殊抗体片段，正逐渐成为构建治疗性分子的重要组成部分。这些抗体的单域结构，如VHH（重链抗体的可变域），因其独特的特性，在治疗领域展现出巨大的潜力。截至2025年10月，全球已有五种基于VHH的治疗性分子获得市场准入，这一进展表明了其在药物开发中的重要性。VHH具有类似传统抗体的亲和力和特异性，同时具备良好的稳定性以及较小的分子量，使其能够作为独立的结合区域（paratopes）使用。此外，由于VHH不依赖轻链的参与，它们为构建双特异性或多功能抗体提供了多种工程化可能性。

VHH的结构特征决定了其在治疗中的优势。与传统IgG抗体不同，VHH仅由一个可变域构成，这使得其在设计时具有更高的灵活性。结构分析表明，VHH的框架区域（FR2）包含一些标志性残基，这些残基在缺乏轻链的情况下仍能保持结合区域的稳定性和可溶性。这些标志性残基在三维结构中暴露于溶剂中，可以直接与抗原相互作用，或者稳定CDR3（互补决定区3）的构象。此外，VHH还经常包含非经典的二硫键，这些二硫键能够进一步稳定结合区域，减少构象熵，并扩大其结合能力的多样性。这些结构特性使得VHH在药物开发中具有独特的优势，例如更高的热稳定性、更低的聚集倾向以及更易进行人类化改造。

VHH的产生方式多种多样，包括通过免疫骆驼科动物、转基因动物以及合成或半合成库的筛选。在免疫骆驼科动物的方法中，通常采用多次抗原注射，如使用小鼠、骆驼、羊驼和双峰骆驼等，通过提取外周血单核细胞（PBMC）的RNA，利用PCR技术扩增VHH序列，进而构建噬菌体或酵母展示库。这一过程通常在6至12周内完成，并通过多轮筛选获得针对特定抗原的高亲和力VHH。相比之下，转基因动物方法则通过基因编辑技术，将VHH基因整合到宿主动物的免疫系统中，使其能够产生具有人类特征的单域抗体。这种方法在开发过程中展现出更高的效率，同时减少了对动物的依赖性。

随着生物技术的发展，人工智能和机器学习（AI/ML）也被广泛应用于VHH的设计和优化。例如，Erasmus等人提出了一种半合成/半免疫的策略，利用酵母表面展示技术对VHH进行筛选，并通过计算方法优化其亲和力和可开发性。而Mille-Fragoso等人开发的“Germinal”框架则结合了AlphaFold-Multimer和抗体特异性语言模型（IgLM），以实现结构和序列的协同优化。这些方法不仅提高了VHH设计的效率，还增强了其在不同治疗场景中的适用性。

在VHH的临床应用中，其结构和功能特性决定了其在不同药物格式中的表现。例如，已批准的VHH治疗性分子包括单特异性、双特异性、多特异性以及结合Fc或人血清白蛋白（HSA）的构型。这些不同的药物格式允许VHH在不同治疗目标中发挥作用，如延长半衰期、提高结合亲和力或增强靶向性。通过将VHH与Fc区域融合，可以利用新生儿Fc受体（FcRn）实现半衰期的延长，而结合HSA则提供了类似的机制。此外，VHH还可以作为CAR-T细胞疗法的抗原识别模块，如ciltacabtagene autoleucel，这是一种针对B细胞成熟抗原（BCMA）的双结合位点VHH结构，被批准用于治疗复发/难治性多发性骨髓瘤。

在VHH的开发过程中，对其结构特性的分析至关重要。通过对49种进入临床研究的VHH序列进行计算机模拟分析，可以进一步优化其可开发性。这些分析包括对序列相似性、非经典半胱氨酸的识别、可能的糖基化位点以及等电点（pI）的计算。结果显示，这些VHH序列在人类化程度、稳定性以及结合能力方面表现出不同的特性。例如，一些VHH来源于转基因动物平台，其人类化程度较高，而另一些则具有较低的亲和力，但经过优化后可以达到理想的治疗效果。这些数据为未来的VHH治疗性分子开发提供了重要的参考。

VHH的结构和功能特性不仅影响其在治疗中的表现，还决定了其在不同药物格式中的应用。例如，VHH可以作为单域结合区，用于构建双特异性抗体，或者与其他结合区域组合，形成多特异性或多功能的抗体。此外，VHH还可以通过与Fc区域或HSA结合，延长其在体内的停留时间，从而提高治疗效果。这种灵活性使得VHH成为抗体工程领域的重要工具，适用于多种治疗场景，包括癌症、自身免疫疾病和病毒感染等。

除了作为药物开发的工具，VHH还在基础研究中展现出重要价值。它们被广泛用于结构生物学研究，如稳定G蛋白偶联受体（GPCR）在特定构象状态下的结构，从而揭示其功能机制。此外，VHH还被用于调控蛋白质活性，例如作为配体的替代品或辅助因子，影响受体的信号传导。这种多功能性使得VHH在药物开发和基础研究中都具有广阔的应用前景。

在药物开发过程中，VHH的工程化改造和优化是确保其临床可行性的关键步骤。例如，通过保留关键的标志性残基并进行合理的序列调整，可以提高VHH的亲和力和特异性。同时，针对不同治疗目标的药物格式，如双特异性、多特异性和多价结构，都需要对VHH进行适当的修饰和设计。这些优化措施不仅提高了VHH的治疗效果，还减少了其潜在的免疫原性和不良反应。

随着对VHH结构和功能的深入研究，越来越多的创新药物格式正在被开发。例如，一些研究团队正在探索VHH作为细胞因子模拟物（mimetics）的潜力，通过靶向特定的细胞因子受体，实现对免疫反应的精准调控。此外，VHH还被用于开发新型的免疫调节策略，如通过靶向不同的细胞因子受体，触发特定的信号通路，从而实现对免疫细胞功能的增强或抑制。这些研究为未来的免疫治疗提供了新的思路。

在实际应用中，VHH的稳定性是其成为治疗性分子的重要因素之一。由于其较小的分子量和结构特点，VHH在体内具有良好的稳定性，同时减少了聚集倾向。此外，通过优化其序列和构型，可以进一步提高其在不同环境中的适应性，如胃肠道环境。这使得VHH在口服给药方面展现出独特的优势，如针对胃肠道病原体或自身免疫性疾病的治疗。然而，保持VHH在胃肠道中的功能活性仍然是一个挑战，需要进一步研究其在极端pH、高温和蛋白酶环境下的稳定性。

VHH的未来发展不仅依赖于其在药物开发中的应用，还涉及到其在多种生物技术平台中的整合。例如，通过将VHH与其他分子结合，如细胞因子或毒素，可以实现更复杂的治疗策略。此外，利用AI/ML技术对VHH进行设计和优化，可以加速其发现过程，并提高其在不同治疗场景中的适用性。这些技术的应用使得VHH成为抗体工程领域的重要工具，为未来的治疗性分子开发提供了新的方向。

综上所述，VHH作为一种独特的抗体片段，具有广泛的应用前景。其结构和功能特性使其在多种治疗性分子中发挥重要作用，同时为抗体工程提供了丰富的设计空间。随着技术的不断进步，VHH在药物开发中的角色将愈发重要，成为治疗领域的重要组成部分。未来的研究将继续探索VHH在不同治疗场景中的潜力，并进一步优化其结构和功能，以实现更高效的治疗效果。