抗体如何“重建”其靶点：为什么有些抗CD20抗体会激活补体，而另一些则会直接杀死

科学家们成功可视化了治疗性抗体（利妥昔单抗、奥比妥珠单抗等）与B细胞CD20受体结合后的具体变化。他们利用新型RESI超分辨率显微镜，在活细胞层面上以单个蛋白质为单位观察到了这一过程，并将纳米簇的模式与不同的药物作用机制联系起来。结果显示：“I型”抗体（例如利妥昔单抗、奥法木单抗）将CD20组装成长链和超结构——这能更好地“植入”补体。“II型”抗体（例如奥比妥珠单抗）仅限于小寡聚体（最多四聚体），具有更强的直接细胞毒性，并可通过效应细胞杀伤。该研究发表在《自然通讯》上。

研究背景

• 为什么选择 CD20？抗 CD20 抗体是治疗 B 细胞淋巴瘤/白血病和某些自身免疫性疾病的主力药物。市面上有多种药物，但它们在细胞内的作用机制不同，临床表现也各有不同。
• 两种机制论阵营。传统上，抗体分为I型（利妥昔单抗、奥法木单抗）和II型（奥比妥珠单抗等）。前者更可能参与补体（CDC），而后者更可能通过效应细胞（ADCC/ADCP）直接导致细胞死亡和杀伤。这早已从生物化学和功能测试中得到证实——但为何在纳米尺度上如此尚不清楚。
• 以前的方法缺少什么。
  • 当目标紧密堆积且动态时，经典免疫荧光甚至许多超分辨率方法都无法在活膜中看到“单个分子”。
  • 冷冻电镜提供了令人惊叹的细节，但通常无法完整展现活细胞的形态。
    因此，抗体下方CD20的“几何结构”（包括簇、链和大小）必须通过间接数据来推测。
• 几何结构为何重要？当C1q同时捕获正确定位的Fc结构域时，补体被“激活”——这实际上取决于距离和角度。同样，ADCC/ADCP的效率取决于抗体如何将其Fc暴露给效应细胞受体。因此，CD20+抗体的纳米结构是发挥功能的关键。
• 作者的目标是什么？在活细胞内（原位）展示不同的抗CD20对CD20的具体作用：会产生哪些寡聚体和超结构，这与补体的结合和杀伤有何关系，以及是否可以通过抗体设计（结合角、铰链、价态、双特异性）来控制这些机制。
• 为什么在实践中这是必要的？
  • 下一代设计：学习“调整结构的手柄”以获得针对特定临床任务或肿瘤环境的所需作用机制。
  • 有意义的组合：了解哪里使用“补充”药物更合适，哪里使用“直接杀手”药物更合适。
  • 质量控制/生物仿制药：具有正确聚类的物理“指纹”作为等效生物标志物。

简而言之：治疗性抗体不仅“按照机制处方”发挥作用，还根据靶标施加于膜上的几何形状发挥作用。在此之前，我们还没有工具能够以单个分子的精度在活细胞中观察这种几何形状——这正是作者们正在填补的空白。

为什么这是必要的？

抗CD20抗体是治疗B细胞淋巴瘤和白血病的基础，也是在某些自身免疫性疾病中“关闭”B细胞的手段。我们已知“I型”和“II型”B细胞的作用机制不同（补体杀伤和直接杀伤），但这种差异在细胞膜纳米尺度上的具体表现尚不清楚。经典的活细胞成像方法（低温电子显微镜、STORM、PALM）无法精确地分辨致密、动态复合物中的“单个蛋白质”。而RESI技术可以做到这一点。

他们做了什么？

• 我们利用多靶点3D-RESI（序列成像分辨率增强技术）和DNA-PAINT标记技术，同时高亮显示全细胞膜上的CD20及其相关抗体。分辨率指的是原位环境下单个分子的水平。
• 我们比较了 I 型（利妥昔单抗、奥法木单抗等）和 II 型（奥比妥珠单抗；以及克隆 H299），并定量分析了它们形成的 CD20 低聚物——二聚体、三聚体、四聚体及更高。
• 我们测试了“模式”与功能之间的关系：测量了补体结合、直接细胞毒性以及通过效应细胞杀伤。我们还研究了抗体的几何形状（例如：翻转 CD20×CD3 T 细胞衔接器中的 Fab 臂），以了解铰链的灵活性/方向如何在 I 型和 II 型之间转换功能。

简单来说，主要发现

• I型抗体由CD20的链和“平台”组成——至少六聚体或更长；这种几何结构有利于C1q的结合，因此最好包含补体。例如：利妥昔单抗、奥法木单抗。
• II 型仅限于小型组装体（通常最多四聚体），但其直接细胞毒性更高，通过效应细胞杀伤力也更强。例如：奥比妥珠单抗。
• 几何形状很重要。改变CD20xCD3双特异性抗体Fab臂的柔韧性/方向，其行为会从“II型”转变为“I型”：CD20聚集性增加，直接细胞毒性降低——结构-功能关系清晰。

为什么这对于治疗很重要？

• 下一代设计：现在可以通过定制结合角度、铰链和价态来设计针对所需机制（更多补体或更直接的杀伤）的抗体，以实现所需的 CD20 纳米结构。
• 个性化与联合用药。如果“补体”途径对特定肿瘤效果更佳，则值得选择“I型”（或构建长CD20链的抗体/双特异性抗体）。如果直接死亡更重要，则选择“II型”，并通过效应途径进行增强。
• 质量控制和生物仿制药。RESI 有效地提供了几何测试：可以训练模型识别正确的 CD20 低聚物的“特征”，并将其用作生物仿制药开发中的生物物理控制。

一些机械知识（对于那些感兴趣的人）

• 根据低温电子显微镜和新图像，I型（例如利妥昔单抗）以较小的角度与CD20结合，桥接CD20二聚体，形成具有C1q平台的分子链；奥法木单抗也有类似的作用，但分子链的台阶较小，“植物”互补性更稳定。II型（奥比妥珠单抗）具有更陡的角度和不同的化学计量（1个Fab对应2个CD20），因此它仍然位于三聚体-四聚体区域。

局限性和下一步

• 这些是严格控制条件的细胞模型。下一步是确认原发性肿瘤样本中关键的CD20簇模式，并将其与临床反应关联起来。
• RESI 是一种复杂的技术，但该团队强调了它的多功能性：它可以映射任何膜靶点及其抗体——从 EGFR/HER2 到 PD-L1——还可以将纳米结构与功能联系起来。

结论

抗体不仅“按照机制的配方”发挥作用，还根据它们施加于膜上受体的几何形状发挥作用。现在，这种几何形状的可视化已成为可能，这为更精确地设计免疫制剂开辟了道路，从而将所需的临床效果设定在纳米级别。

研究来源：Pachmayr I. 等。利用 RESI 解析癌症免疫治疗中治疗性抗体功能的结构基础。 《 自然通讯》，2025 年 7 月 23 日。doi.org/10.1038/s41467-025-61893-w