全人源单克隆抗体助力聚集诱导发光材料实现肿瘤靶向

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

聚集诱导发光（Aggregation-induced Emission, AIE）简介

有机发光材料已经在光电、传感和生物等领域得到了广泛的应用，但是传统的有机发光材料一般在稀溶液中具有较高的发光效率，但在浓溶液或聚集态时，基于分子间的相互作用，增加了非辐射能的损耗，表现为发光效率降低甚至不发光，即发生了聚集导致的发光淬灭（aggregation-caused quenching, ACQ）现象。然而在实际应用中，有机发光材料多以薄膜或聚集态形式存在，其ACQ效应在一定程度上降低了体系的灵敏度，进而限制了其在上述领域的应用。研究人员已经采用化学、物理和工程等手段来提高其在实际应用中的发光效率，但由于分子聚集是一个自然的过程，所以提高效果有限。2001年，唐本忠院士团队基于观察到的一类噻咯衍生物溶解后不发光，而聚集后发光显著增强的现象提出了“聚集诱导发光”(aggregation-induced emission, AIE)这一光物理领域的新概念。随后，在大量实验验证和理论模拟的基础上提出了“分子内运动受限”（restriction of intramolecular motion, RIM）的机理模型：在稀溶液中，AIE分子内外围的芳香(杂)环相对中心共轭基元（例如芳香(杂)环或者双键等）活跃的运动（例如转动和振动等）耗散了分子激发态能量，导致辐射衰变的比例减小，从而发生荧光发射效率下降；而当这些分子聚集后，分子内运动由于空间位阻而受限，辐射通道打开，从而表现出强发光。AIE由于可充分利用分子聚集这一自然过程来增强分子在固态和聚集态的发光效率，从而受到广泛的关注。目前，全球60余个国家和地区1100余个研究单位的科学家正在从事AIE相关的研究工作，从而使AIE材料在光电、传感、生物等领域得到了广泛应用，并初步展示了相对于传统发光材料的独特优势。目前，AIE领域的研究重点主要集中于小分子方面，相比于小分子体系，聚合物具有良好的成膜性和协同放大效应，并可解决小分子材料在功能复合时的不足，从而满足多样化的应用需求。

全人源单克隆抗体（Fully Human Antibody）简介

单克隆抗体（单抗）是继疫苗、重组蛋白后最重要的一类生物技术产品，是21世纪生物技术和生物医药产业领域的战略制高点。单抗已成功应用于治疗肿瘤、自身免疫性疾病、感染性疾病和移植排斥反应等。单抗技术经过35年的发展，历经鼠源性、嵌合、人源化和全人源单抗四个阶段。目前，用细胞工程制备人单抗在技术和伦理上都存在一些难题，治疗性抗体的开发就集中在具有治疗前景的鼠源单抗上。但是鼠源单抗对人体具有异源性反应，可诱发人抗鼠抗体效应（Human anti-mouse antibodies, HAMA反应），使单抗的治疗效果明显滞后。随着基因重组技术的发展和人们对抗体结构认识的深入，研究者尝试对鼠源性抗体进行改造，致力于在保留与抗原结合高亲和力的基础上，减少异源性抗体的免疫原性，推动抗体人源化研发的进程。人源化抗体主要指以基因克隆及DNA重组技术对鼠源单克隆抗体进行改造，重新表达产生的抗体。其大部分氨基酸序列被人源序列取代，基本保留亲本鼠单克隆抗体的亲和力和特异性，又降低了其异源性，有望应用于人体。为了彻底消除异源性抗体的不良影响，90年代以后，人们将噬菌体展示技术应用到抗体的表达和克隆上，产生了噬菌体抗体库技术。由此，抗体工程技术进入到一个新的发展阶段，全人源化抗体的生产和应用也逐渐走向成熟。全人源化抗体是指将人类抗体基因通过转基因或转染色体技术，将人类编码抗体的基因全部转移至基因工程改造的抗体基因缺失动物中，使动物表达人类抗体，达到抗体全人源化的目的。目前人们已建立多种方法生产完全人源性抗体，主要有噬菌体展示技术、转基因小鼠技术、核糖体展示技术和RNA-多肽技术。人源化抗体在肿瘤、器官移植排斥反应、病毒感染、血液性疾病、自身免疫性疾病等方面的治疗和临床诊断中表现出越来越广阔的应用前景。在全球单抗市场中，人源单抗是其未来的发展方向，已在欧美上市的32个单抗中，有9个是全人源单抗，随着转基因小鼠和噬菌体展示技术的成功应用，全人源化克隆单抗的比重将逐步增大。

点击化学（Click Chemistry）简介

“点击化学”（Click Chemistry）是有机化学中一类以温和高效著称的反应总称，其核心是开辟一整套以含杂原子链接单元C-X-C为基础的组合化学新方法，用少量简单可靠和高选择性的化学转变来获得更广泛的分子多样性，其模块化、高效和多样性以及高选择性等特点，使之特别适合偶联生物分子与人工配体，这类偶联反应一般需要在非常温和的条件（如生理学条件）下进行，如此一来便可保留多肽、蛋白质以及碳水化合物等生物分子的结构完整性以及基于这些结构的功能。点击反应发生后生成的氮杂唑基团具有芳香环的稳定性，不易分解，可耐受强酸、强碱，并能在多种氧化还原的条件下保持稳定，因此广泛应用于多肽环化、DNA-多肽偶联、荧光染料标记、分子表面固定等热点领域。

肿瘤的精确诊断是提高其治愈率及改善患者生存质量的关键所在。影像探针能与靶标特异结合并产生影像学信号，在肿瘤的早期诊断和治疗中起到越来越重要的作用。相对于传统的分子型探针，纳米探针在实体瘤中的高通透性与滞留效应使纳米探针能够长效滞留并保持成像能力。传统无机纳米探针（如量子点、稀土纳米材料等）虽然具有优异的光学性能，但是在临床转化方面不容易被机体代谢，因而限制了其在临床转化方面的应用。相比于无机纳米探针，有机染料或有机发光聚合物为主体材料的有机纳米探针在临床转化方面表现出更加广阔的应用前景。而在利用有机染料或有机发光聚合物构建纳米探针的同时，纳米颗粒内局部空间的限制导致有机染料及聚合物自身发生堆积，进而导致ACQ效应，极大限制了有机纳米探针的开发。而基于AIE效应的有机小分子或聚合物在构建有机纳米探针方面表现出独特的魅力。澳门大学的赵琦教授课题组、中国科学院深圳先进技术研究院的蔡林涛研究员课题组和香港科技大学的张鹏飞博士合作开发了一种靶向乳腺癌的AIE纳米探针。首先，他们制备了一种新型的点击化学功能修饰两亲聚合物包裹材料，并将其用于AIE聚合物的包裹，进而开发出一种亮度高且稳定、可表面修饰的远红光发射型AIEdots，他们进一步将其通过点击化学反应与抗HER2重组人源抗体偶联，构建出靶向HER2的有机荧光纳米探针RHA-AIEdots（图1）。

图1. 靶向乳腺癌AIEdot纳米探针的制备示意图

接下来，他们运用高表达或无表达HER2的乳腺细胞验证了这种新型纳米探针靶向显像HER2的特异性。细胞实验与活体实验结果显示，该RHA-AIEdots探针可以有效地识别HER2阳性的乳腺癌细胞（图2），在体内模型中也确证RHA-AIEdots探针优于非靶向AIEdot探针，靶向结合明显增强了荧光探针在肿瘤部位的聚集和特异性（图3）。

图2. 在体外细胞模型中比较RHA-AIEdots探针和非靶向AIEdots的特异性

图3. 在体内动物模型中比较RHA-AIEdots探针和非靶向AIEdots的特异性

这一成果近期发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者是蔡林涛研究员课题组的硕士研究生吴亚运（现已加入中国科学院方晓红研究员课题组继续博士深造）和赵琦教授课题组的博士研究生陈治臻，赵琦教授、蔡林涛研究员和张鹏飞博士为通讯作者。

该论文作者为：Yayun Wu, Zhizhen Chen, Pengfei Zhang, Lihua Zhou, Tao Jiang, Huajie Chen, Ping Gong, Dimiter S. Dimitrov, Lintao Cai and Qi Zhao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Recombinant-fully-human-antibody decorated highly-stable far-red AIEdots for in vivo HER-2 receptor-targeted imaging

Chem. Commun., 2018, 54, 7314, DOI: 10.1039/C8CC03037E

赵琦教授及课题组简介

赵琦教授，本科毕业于吉林大学，随后在香港中文大学获得博士学位，先后在美国国家癌症研究所（NCI）与纪念斯隆-凯特琳癌症中心（MSKCC）从事博士后研究；曾或现主持澳门科学发展基金、国家自然科学基金、中科院-诺和诺德联合基金、广东省科技厅国际合作基金、广东省自然科学基金；已在Leukemia、Adv. Mater.、Chem. Commun.、J. Biol. Chem.、mAbs、Int. J. Cancer 等杂志发表多篇研究论文；申请中国或PCT专利10项，2项专利已经转化美国制药公司进入临床试验。

赵琦课题组的主要研究方向：（1）全人源单克隆抗体、双特异抗体、CAR修饰T细胞的开发；（2）新型纳米药物投递系统的开发；（3）光动力靶向治疗肿瘤的研究。

蔡林涛研究员及课题组简介

蔡林涛研究员，1995年在厦门大学化学系获得物理化学博士学位，毕业后任南京大学化学系分析化学博士后、东南大学生物电子学国家重点实验室副教授；1999～2001年间获日本文部省外国人（JSPS）特别研究基金资助，任大阪大学产业科学研究所特别研究员，2001-2008年间先后成为美国莱斯大学化学系博士后和宾州州立大学电子工程系访问学者以及美国Emitech, Inc.公司研究人员；2008年起任中国科学院深圳先进技术研究院研究员，现为先进技术研究院医药所所长、纳米医疗技术研究中心执行主任。

蔡林涛的研究领域包括：（1）多功能纳米复合材料和生物医用材料；（2）纳米探针、生物医学成像技术和生物传感芯片；（3）分子诊断与靶向纳米药物；（4）纳米医学和个性化治疗。

http://www.x-mol.com/university/faculty/49586

张鹏飞博士简介

张鹏飞，香港科技大学博士；2002年进入湖南大学化学化工学院首届本硕班，2005年开始在湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室王柯敏教授和谭蔚泓教授研究团队开展纳米尺度与分子水平上的生物分析化学研究工作，并于2009年获分析化学硕士学位，毕业后加入中国科学院深圳先进技术研究院，始任研究助理，2011年破格提拔为助理研究员；2015年加入香港科技大学唐本忠院士团队（《泰晤士高等教育》世界大学排名44，QS世界大学排名30，QS亚洲大学排名3），师从唐本忠院士开展聚集诱导发光材料的研究；长期从事多功能纳米材料及发光材料合成、修饰及其生物分析及医学相关应用的研究；在J. Am. Chem. Soc.（2篇）、ACS Nano（3篇）、Adv. Mater.（1篇）、Adv. Funct. Mater.（2篇）、Anal. Chem.（2篇）、Nanoscale（7篇）、Biomaterials（4篇）、ACS Appl. Mater. Interfaces（1篇）、Chem. Sci.（1篇）、Chem. Commun.（5篇）等国际知名杂志发表SCI源刊论文40余篇（第一作者/通讯作者文章16篇，其中影响因子大于10的论文5篇），申请相关专利10余项，主持国家自然青年基金1项、深圳市基础研究项目1项，参与多项国家级省部级科研项目；成果获得广东省自然科学二等奖（2016年）、深圳市自然科学二等奖（2015年）。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是开发具有临床转化前景的纳米探针。众所周知，无机纳米探针虽然具有良好的光电性能，但是转化过程缓慢、困难重重。而传统有机纳米探针往往在稳定性方面无法与无机纳米探针比拟。唐本忠院士团体开发的AIE材料为解决这一问题提供了一个很好的解决方案。但是AIE材料缺乏特异性，此时抗体便是一个很好的选择。不可否认的是，唐本忠院士团队已经在AIE材料与抗体结合方面开展了一些工作。但是传统单克隆抗体往往是异源性抗体，在临床转化过程中面临免疫原性的潜在问题，全人源单克隆抗体就可以很好地解决这一矛盾。因此，唐本忠院士团队的张鹏飞博士与人源化抗体专家赵琦教授以及纳米医学专家蔡林涛研究员合作开展了这一尝试，并取得了一定突破。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战是如何在偶联过程中保持全人源抗体的活性。我们虽然使用到非铜催化的点击化学偶联反应，但是如何特异定点地对抗体进行修饰还是我们遇到的一大难题。

此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少化学、生物、医学方面的背景知识，而我们的团队分别来源于化学和生物专业，具有良好的互补。同时，借助粤港澳大湾区的建设，研究中充分发挥香港、澳门和深圳各地的优势合力完成，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该探针在肿瘤靶向与治疗方面具有良好的应用前景。同时，构建方法具有通用性，因此可以拓展到具有近红外特性的多功能AIE纳米探针，并结合具有其他肿瘤靶向能力的人源化抗体，从而构建一系列肿瘤靶向的有机纳米诊疗探针。