Beacon单B细胞克隆技术平台—一体化高通量抗体发现新利刃

本文转载自“上海睿智ChemPartner”微信公众号 。

随着抗体药物的广泛应用及其产生的巨大社会经济效益，抗体药物逐渐成为医药领域中的重要成员，众多的国内外制药公司都将抗体药物研发作为公司的重点方向进行战略布局。鉴于从基础研究到真正的实现临床转化需要较长的周期和较高的失败率，针对同一或者类似靶点的研发会越来越多，制药公司之间的竞争也会日趋激烈。因此，能够高效研发获得针对同一靶点的具有最好生物学效果和成药性的抗体药物分子对制药公司的发展至关重要，这也对抗体发现平台提出了更高的要求。传统的杂交瘤平台由于涉及到融合、亚克隆、体外培养等多个步骤，需要投入大量的人力和物力，通常需要花费几个月的时间才能够获得理想的抗体候选分子。而且由于融合效率的限制等其他因素，通常只能有一小部分的抗体候选分子会进入到后续的筛选阶段，这限制了获得特殊性质抗体分子的概率。经过体内自然筛选过程获得的抗体候选分子通常具有较好的理化性质和较低的免疫原性，利于后期的药物开发，有其不可替代的优势。因此，从动物或者人体内直接分离获得单克隆抗体仍是一个非常重要的来源。

综上所述，如何能够高效并且高通量地从自然抗体库中筛选出理想的抗体分子对抗体发现技术平台提出了更高要求，为应对这一发展趋势，一些基于创新技术的抗体研发平台应运而生。

目前基于利用单B细胞克隆进行抗体研发平台主要包括：

a) 基于流式细胞仪分选的单细胞测序技术平台

采用流式细胞仪分选单个B细胞，然后进行体外培养筛选和测序，获得抗体序列。分选过程可以进行抗原特异性标记从而达到富集特异性B细胞的目的（图1），但是分选过程中会对细胞造成一定的机械损伤并且体外维持单个细胞的培养和筛选比较困难，因此其对技术要求较高而且受制于单细胞分选通量和效率的限制，大规模的产业应用还不成熟。

图1 采用流式分选技术获得SARS-CoV-2中和抗体

b) 基于微液流的单细胞测序技术平台

通过微液流系统分选得到单个B细胞，然后对其进行单个B细胞测序，获得抗体序列。整个流程以高通量的方式进行，能够获得大量的序列信息（图2）。但是通常不能兼容多样化的功能性实验筛选，需要后期进行高通量的质粒提取，细胞转染和筛选，人工和耗材损耗较大，效率受到限制。

图2 采用微液流单细胞测序技术平台获得SARS-CoV-2中和抗体

基于Beacon单细胞光导系统的技术平台是由美国Berkeley Lights公司利用其特有的单细胞光导系统建立的一体化抗体开发系统，对半导体技术和最新的微流体技术进行了深度整合，能够兼容多种形式的功能性筛选，使得同时进行成千上万个的单细胞实验成为可能。Berkeley Lights的OptoSelectTM芯片在光激活的光电晶体管阵列上覆盖了一个基于灌注的纳流体系统，这使得使用受控的光模式快速和精确地定位单个细胞或其他微物体成为可能。OptoSelectTM芯片包含数千个被称为NanoPensTM的流动隔离纳米小室，它在物理上将细胞从流动中隔离出来，但允许基于扩散的交换。在Beacon平台上，利用多个OptoSelectTM芯片，成千上万的单细胞可以被分离、培养、分析，并输出以进行进一步的分析。通过这套系统可以在特殊芯片上完成对单个细胞的精确操作，并可以进行基于芯片的各种功能性筛选，从而能够在较短时间内筛选具有各种生物学活性的抗体分子。然后通过光导系统导出可以分泌理想抗体分子的细胞进入到单个细胞测序平台从而一步获得理想抗体分子序列。这一系统将复杂的多个步骤整合在一个独立平台上，相对于其他系统能够大大缩短开发周期并且节省了大量的物力和人力，大大提高了抗体药物发现的效率（图3）。

图 3 Berkeley Lghts公司Beacon技术平台介绍

睿智医药作为国内生物医药CRO行业的领军企业，已早先于2018年与Berkeley Lights签订战略合作协议开发Beacon平台进行抗体发现。在睿智医药已有综合抗体发现平台的支持下，经过近3年的持续开发，在现有的杂交瘤单克隆和噬菌体展示等抗体发现平台之外，睿智医药又成功新增一个创新一体化高通量抗体发现平台。现在，睿智医药的多种抗体发现平台优势互补，能够满足全球客户多样化抗体研发的需求（图4）。

图 4 睿智医药抗体发现平台对比

下面将通过针对肿瘤免疫领域中的热门靶点PD-L1作为案例对Beacon抗体发现平台进行详细介绍。

1. Beacon抗体发现平台能够大大缩短抗体研发周期

传统的杂交瘤平台由于涉及到融合、亚克隆、体外培养等多个步骤，需要投入大量的人力和物力，通常需要花费几个月的时间才能够获得理想的抗体候选分子。Beacon平台由于采用OptoSelectTM芯片等技术使成千上万的单细胞可以被分离、培养、分析，并输出以进行进一步的分析，将筛选的周期缩短到1-2天，从而使整个抗体发现的周期缩短3-4个月（图5）。

图5 Beacon单B细胞克隆和杂交瘤开发周期对比

2. Beacon抗体发现平台兼顾多重功能实验筛选和高通量

传统的一些基于单细胞克隆技术平台虽然也能够实现高通量的分离和筛选，但能够兼容的实验筛选手段往往都比较有限。虽然能够获得大量的单克隆的序列，但往往需要后期构建大量的重组抗体进行功能的进一步验证，从而大大提高了后期的成本和增加了研发周期。Beacon抗体发现平台能够兼顾高通量和多重功能实验筛选，不仅能够实现基于蛋白和细胞的结合实验筛选，还能够兼顾一部分类似于配体-受体结合阻断和报告基因功能实验筛选（图6），实现更早期的功能性抗体筛选，从而提高效率和缩短研发周期。

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图6 Beacon单B细胞克隆平台多重筛选

3. Beacon抗体发现平台能够探寻更广的免疫组库以增加抗体多样性和获得高亲和力和活性分子概率

Beacon抗体发现平台由于其高通量筛选技术特点，能够在短时间内对更广的免疫组库进行筛选，并且采用多重功能实验筛选，在早期就能够将高活性的抗体分子筛选出来，从而大大提高了抗体药物分子的多样性和获得高活性分子的几率。与之而来的大量抗体候选分子对于后期的高通量表征也提出了巨大的挑战。Carterra通过整合专有的微流控技术和基于阵列SPR（表面等离子体共振）检测技术开发了LSA高通量SPR检测系统，能够高通量地对抗体亲和力和结合表位进行检测分析，大大加速抗体药物开发周期。通过PD-L1案例并结合LSA高通量检测结果分析表明，通过Beacon平台发现的特异性抗体表现出相当的亲和力和更好的阻断活性（图7）。

图 7 Beacon抗体发现平台和杂交瘤平台获得抗体性质对比（高通量SPR技术）

综上所述，Beacon抗体发现平台相对于杂交瘤平台不仅缩短了抗体发现周期，而且能够增加获得更高亲和力和活性的抗体的成功率，从而大大提高了抗体研发效率（图8）。

图8 Beacon抗体发现平台和杂交瘤平台对比

睿智医药生物药研发部作为国内成立较早的抗体发现团队，一直秉承科学为先、技术为本的理念，建立了多样化的综合性抗体发现平台，能够为全球客户提供个性化的高效抗体发现服务。