利用新生儿 Fc 受体（FcRn）增强抗体穿越血脑屏障的研究：开启脑部疾病治疗新征程

血脑屏障（BBB）限制治疗性抗体进入大脑，阻碍神经退行性疾病药物研发。研究人员开展利用新生儿 Fc 受体（FcRn）促进 IgG 转运至大脑的研究。结果显示，工程化抗体可增强体外细胞转胞吞作用和体内脑部分布，为脑部疾病生物治疗带来希望。

　　在神经科学和医学领域，脑部疾病的治疗一直是极具挑战的难题。血脑屏障（BBB）如同大脑的坚固 “卫士”，它在保护大脑免受有害物质侵害的同时，也成为了治疗性抗体进入大脑的巨大障碍。这一屏障使得通过全身给药的治疗性抗体难以有效穿透进入大脑，严重限制了这类药物在神经退行性疾病治疗方面的发展，众多患者因此无法获得有效的治疗。

为了攻克这一难题，来自美国基因泰克公司（Genentech, Inc.）的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦于新生儿 Fc 受体（FcRn），期望能找到突破血脑屏障限制的新方法。经过一系列严谨的实验和分析，研究人员发现，通过对抗体 Fc 区域进行工程化改造，增强其在中性 pH 条件下与 FcRn 的结合能力，可以显著提升抗体穿越血脑屏障进入大脑的效率。这一发现为治疗脑部疾病的生物疗法带来了新的曙光，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

• 噬菌体展示技术：对小鼠抗体 Fc 区域特定 loop 进行突变扫描，筛选与 FcRn 结合力增强的突变体。
• 表面等离子共振技术（SPR）：精确测定抗体与 FcRn 在不同 pH 条件下的结合亲和力。
• 细胞转胞吞实验：使用表达人 FcRn 的 MDCK-II 细胞，评估抗体的体外转胞吞能力。
• 动物实验：选用野生型、转基因小鼠以及食蟹猴等动物模型，研究抗体在体内的药代动力学、脑摄取和药效学。

下面具体来看研究结果：

• Fc 工程化人 IgG1 在野生型小鼠中提高脑摄取：转录分析表明，FcRn 在成年小鼠脑内皮细胞中相对外周血管有一定富集。研究人员将 M252Y/S254T/T256E（YTE）修饰引入抗 BACE1 hIgG1 抗体，发现该修饰增强了其与小鼠 FcRn（mFcRn）在 pH 6.0 和 pH 7.4 时的结合亲和力。给野生型 C57BL/6 小鼠静脉注射相关抗体后，抗 BACE1 hIgG1-YTE 虽从全身循环清除更快，但脑内抗体浓度显著提高，且能降低脑内淀粉样蛋白 β（Aβ_1-40）水平，表明其可有效穿透脑实质并作用于神经元靶点。而在 hFcRn 转基因小鼠（表达 hFcRn 但缺乏 mFcRn）中，抗 BACE1 hIgG1-YTE 虽血清暴露改善，但对脑抗体摄取和 Aβ_1-40水平无影响，说明中性 pH 下对 FcRn 更高的结合亲和力是促进抗体转运入脑的关键。
• 抗 Aβ hIgG4 的 Fc 工程化在 PS2APP 转基因小鼠中改善脑摄取和靶点结合：在 PS2APP 转基因小鼠（阿尔茨海默病模型）中，研究人员测试了 YTE 修饰的抗 Aβ hIgG4 抗体。结果显示，抗 Aβ hIgG4-YTE 全身暴露趋势更低，但脑浓度在给药后 5 天比抗 Aβ hIgG4 高约 3 倍，脑：血浆比也显著提高。免疫组化分析表明，抗 Aβ hIgG4-YTE 在海马苔藓纤维束和前额叶皮质淀粉样斑块周围的染色更强，定量分析显示其在苔藓纤维的结合积分密度更高，证明了 Fc 修饰可改善抗体脑摄取和靶点结合。
• 小鼠 IgG2a Fc 变体在小鼠中增加脑摄取：为探究人 IgG 结果能否扩展到鼠源抗体，研究人员基于已发表的 FcRn-Fc 结构，利用噬菌体展示技术对小鼠 mIgG2a 的 Fc 区域进行改造，筛选出与 mFcRn 在 pH 7.4 时亲和力提高的变体。给野生型 SCID 小鼠注射不同亲和力变体后发现，M252Y 和 M252Y.Q309T 变体全身抗体清除增加，且所有变体脑摄取均改善，其中 M252Y.Q309T mIgG2a 穿越血脑屏障效率最高，其 C_max和 AUC 比野生型 mIgG2a 分别高 4.9 倍和 3.4 倍，表明脑抗体摄取与抗体对 mFcRn 在 pH 7.4 时的亲和力呈正相关。
• 工程化人 IgG1 Fc 变体改善体外转胞吞作用：研究人员对人 IgG1 进行 Fc 区域改造，筛选出多个与 hFcRn 结合亲和力提高的变体。这些变体在 pH 6.0 时 hFcRn 亲和力均提高，部分在 pH 7.4 时也有所提高。细胞转胞吞实验显示，多数在 pH 6.0 时亲和力增强但在 pH 7.4 时亲和力不可测的 Fc 修饰抗体，转胞吞作用仅有适度改善；而在 pH 7.4 时结合力提高的双、三、四重 Fc 修饰抗体，转胞吞作用显著增强，最高可达野生型 IgG1 的约 150 倍。
• 工程化人 IgG1 Fc 变体在 hFcRn 转基因小鼠中增加脑摄取和改善药效学反应：研究人员选取 14 种在体外细胞转胞吞实验中表现良好且分子特性优良的 hIgG1 变体，在 hFcRn 转基因小鼠中进行体内脑穿透研究。结果显示，多数 Fc 修饰抗体脑抗体浓度提高，最高可达野生型 hIgG1 的约 2.5 倍，且脑：血清比与 hFcRn 在 pH 7.4 时的亲和力呈正相关。选取两个抗 BACE1 hIgG1 Fc 变体（YY 和 YQAY）进一步研究发现，它们血清暴露降低，但脑摄取增加，且能更有效地降低脑内 Aβ_1-40水平，表明增强的脑摄取可转化为更有效的靶点抑制。
• 抗 BACE1 hIgG1 Fc 变体在食蟹猴中增强脑摄取和药效学反应：在食蟹猴实验中，抗 BACE1 hIgG1 的 Fc 变体给药后，血清清除更快，但脑摄取显著提高，在给药后 2 天，YY 和 YQAY 变体脑浓度比野生型抗体高约 7.5 倍，且脑：血清比显著增加。同时，变体抗体在脑脊液（CSF）中的浓度与野生型相当或更高，CSF：血清比也增加。通过测量 CSF 和脑内的 sAPPβ/α 比值（反映 BACE1 对 APP 的加工）发现，变体抗体可显著降低该比值，表明 BACE1 受到抑制。此外，变体抗体还会降低食蟹猴血清中内源性 IgG 水平，但血清白蛋白水平未改变。
• 抗 Aβ hIgG4 Fc 变体在食蟹猴中增强脑摄取：在食蟹猴中测试抗 Aβ hIgG4 的 Fc 变体发现，它们血清清除更快，但脑摄取比野生型 Fc 抗体高约 3 - 5 倍，且在 CSF 中的分布也增加。同时，接受变体抗体治疗的动物脑内 Aβ_1-42水平更高，表明其在中枢神经系统（CNS）中的靶点结合增强。

研究结论和讨论部分指出，通过工程化改造抗体 Fc 区域，增强其在 pH 7.4 时与 FcRn 的结合亲和力，可有效促进抗体的体外细胞转胞吞作用和体内脑部分布。这一方法在不同 Fab（如抗 BACE1、抗 Aβ 和非结合型）和不同 IgG 亚类（hIgG1、hIgG4 和 mIgG2a）的抗体中均表现出良好效果，表明其具有广泛适用性。

此前关于 FcRn 在血脑屏障中的作用存在争议，有研究认为它要么不参与抗体跨血脑屏障转运，要么促进 IgG 从脑内流出。但该研究提出，FcRn 可通过受体介导的转胞吞作用促进抗体跨血脑屏障转运，且这一过程依赖于 pH 7.4 时的 FcRn 亲和力。增强的转胞吞作用在血脑屏障和血 - 脑脊液屏障中均有体现，CSF 有可能作为临床监测脑暴露的替代指标。

不过，研究中也发现一些问题。例如，具有增强 FcRn 亲和力的抗体在小鼠和食蟹猴中静脉给药后，血清清除更快，这可能与多种机制有关，包括 FcRn 降解增加、细胞摄取和转胞吞导致血清暴露减少等。在食蟹猴中，约 7 天后 Fc 变体血清抗体暴露急剧下降，可能是产生了抗药物抗体（ADA），这可能会限制药物暴露和疗效，还存在潜在安全风险。此外，Fc 变体导致内源性循环 IgG 水平降低，虽在停药后可恢复，但仍需在后续开发中密切监测其对免疫功能的影响。

总体而言，这项研究为治疗神经退行性疾病和其他中枢神经系统相关疾病的药物研发提供了新的策略。利用 FcRn 促进血脑屏障转运的技术，仅需对抗体进行适度突变修饰，就能增强其与天然 Fc 受体的亲和力，且不影响抗体的 Fab 双价性和 Fc 效应功能，有望显著改善药物的药理性能，为脑部疾病患者带来新的希望 。